PENGENDALIAN ERROR PADA BERBAGAI LAYER UNTUK TRANSMISI DATA PADA JARINGAN NIRKABEL
PENGENDALIAN ERROR PADA BERBAGAI
LAYER UNTUK TRANSMISI DATA PADA
JARINGAN NIRKABEL
Oleh:
Filbert Hilman Juwono
0706305280
Ditujukan untuk kuliah Komunikasi Nirkabel
Departemen Elektro
Fakultas Teknik
Universitas Indonesia
2008
ABSTRAK
Tantangan utama dari transmisi data pada jaringan nirkabel adalah berkaitan dengan bit
rate yang rendah dan error rate yang tinggi dibandingkan dengan jaringan kabel. Dengan
demikian perlu dilakukan pengendalian error dalam setiap tingkatan transmisi. Data link
layer, transport layer, dan application layer diberikan suatu teknik pengendalian error
untuk mengatasi masalah itu. Selain itu, algoritma adaptif juga diberikan untuk mengatur
panjang parity data. Hasil implementasi ditunjukkan dalam grafik yang menyatakan
packet loss pada data video.
1
1. Pendahuluan: Latar Belakang
Teknologi nirkabel merupakan suatu teknologi yang akan berkembang pesat di masa
depan. Sebagai contoh perangkat selular yang pada awalnya ditujukan untuk
pembicaraan, sekarang telah digunakan untuk melakukan komunikasi multimedia seperti
video streaming. Multimedia meliputi perpaduan antara suara, gambar, tulisan, dan data.
Video merupakan salah satu aplikasi multimedia yang populer. Namun, data video
memerlukan bandwidth yang lebih besar dan tanggapan yang lebih rendah dibandingkan
dengan data tulisan, suara, atau gambar. Oleh karena itu, tantangan utama transmisi video
melalui jaringan nirkabel adalah berhubungan dengan bandwidth yang rendah dan error
yang besar. Jaringan nirkabel meliputu berbagai macam tipe seperti jaringan seluler dan
WLAN (wireless local area networks). Jaringan 3G dengan standar 3GPP dan 3GPP2
dapat menyediakan data rate sampai 384 Kbps bahkan 2 Mbps dan IEEE 802.11 (WiFi)
dapat menyediakan data rate hingga 54 Mbps.
Generasi terbaru jaringan seluler memungkinkan untuk menyalurkan data dengan
kecepatan rendah, untuk kanal nirkabel adalah sekitar 9,6 kbps. Namun, kanal nirkabel
merupakan suatu lingkungan yang rentan terhadap error. Oleh karena itu untuk
mendapatkan hasil layanan multimedia yang memuaskan perlu dilakukan perbaikan error
(error resilient) pada berbagai tingkatan pelayanan. Selain itu, sensitifitas persepsi
manusia membuat suatu persyaratan yang ketat (QoS) untuk masalah delay, delay jitter,
dan kualitas gambar [2]. Untuk mengatasi masalah itu, maka dibutuhkan algoritma
pengendalian error dan juga pemodifikasian protokol-protokol pada link layer dan
transport layer. Selain itu juga digunakan codec yang mendukung error resilient seperti
MPEG-4.
Dalam makalah ini akan dibahas mengenai transmisi video yang mengirim datadata video secara real-time melalui jaringan nirkabel dan setelah itu akan ditunjukkan
hasil kinerjanya.
2. Jaringan Nirkabel Sebagai Lingkungan yang Rentan Error
Perbedaan antara jaringan wireless dan jaringan wire berada di bagian bawah dari
transport layer. Jaringan wireless melibatkan berbagai jenis jaringan akses radio seperti
jaringan selular dan WLAN.
2
Jaringan atau link nirkabel dapat dianggap sebagai error generator [1]. Hal tersebut
dapat disebabkan karena berbagai hal yang bersifat alamiah seperti [4]:
1. Penurunan kuat sinyal yang disebabkan oleh dispersi begitu sinyal menempuh jarak
yang jauh dan atenuasi begitu sinyal melewati benda-benda atau penghalang.
2. Interferensi akibat sumber-sumber lain dengan pita frekuensi yang sama seperti 2,4
GHz wireless phone berinteferensi dengan IEEE 802.11b.
3. Adanya propagasi multipath. Sinyal akan melakukan pantulan berkali-kali sehingga
sinyal akan melintasi jalur yang berbeda yang menyebabkan adanya fading baik fast
fading maupun slow fading. Selain itu juga akan menyebabkan adanya delay spread.
3. Metode Perbaikan Error (Error Control) [4]
Karena jaringan nirkabel merupakan error generator, maka perlu adanya cara-cara untuk
mengurangi efek dari error tersebut. Salah satu caranya adalah dengan menambah daya
transmisi. Namun hal tersebut membutuhkan banyak energi (lebih boros) dan juga akan
memperbesar interferensi dengan sumber lainnya.
Cara yang lain adalah dengan melakukan deteksi dan perbaikan error dengan
teknik-teknik pengendalian error. Teknik pengendalian error yang sering digunakan
adalah FEC (Forward Error Correction) dan ARQ (Automatic Repeat reQuest). Prinsip
dasar FEC adalah dengan menambahkan redundancy yang digunakan untuk mendeteksi
dan mengkoreksi error sedangkan prinsip ARQ adalah hanya mendeteksi error dan
kemudian melakukan permintaan supaya paket yang error dikirim kembali. Dalam
makalah ini teknik yang digunakan adalah ARQ dan Reed-Solomon (RS) yang
menggunakan prinsip FEC.
Reed-Solomon (RS) Code
Jika suatu blok pesan mempunyai panjang K dan ditambahkan parity check bit dengan
panjang N – K = 2t maka panjang codeword-nya menjadi N dengan N > K. RS
mempunyai jarak minimum (minimum distance) sebanyak d min
2t 1 . Selain itu RS
dapat memperbaiki error sebanyak t elemen per codeword atau sebanyak N
3
K 2 . RS
memberikan koreksi error yang optimal dengan parity bit yang konstan dan sangat baik
untuk mengatasi burst error.
Automatic Repeat reQuest (ARQ)
Dalam skema ini, pesan dibagi-bagi dalam blok-blok (paket) dalam ukuran yang sesuai.
Kemudian akan ditambahkan sejumlah parity bit sebelum dikirimkan. Pada sisi penerima
parity bit tersebut digunakan untuk mendeteksi error. Jika error terjadi maka akan
dilakukan permintaan untuk pengiriman kembali paket yang error tersebut.
ARQ bekerja dengan cara sebagai berikut. Transmitter memberikan nomor pada
paket-paket yang akan dikirim secara berurutan dan menentukan waktu setiap kali paket
dikirim. Selanjutnya receiver akan memberi tahu (acknowledge) setiap paket yang
berhasil diterima dengan baik dengan cara mengirimkan paket yang disebut ACK beserta
nomor paket yang berhasil diterima. Jika paket tersebut tidak diterima maka ACK tidak
akan dikirimkan. Jika transmitter tidak menerima ACK dalam waktu yang ditentukan
(disebut timeout) maka paket tersebut dianggap rusak atau hilang, sehingga dilakukan
pengiriman kembali.
Dalam beberapa kasus, digunakan NACK (negative acknowledgement) sebagai
pengganti ACK. Berlawanan dengan ACK, NACK dikirimkan jika error terjadi. Tetapi,
jika paket yang dikirimkan itu hilang maka NACK tidak dapat dikirimkan.
4. Tingkatan protokol
Suatu tingkatan protokol untuk transmisi video melalui nirkabel diajukan oleh Ding et. al
[1] seperti ditunjukkan pada Gambar 1. MAC (Medium Access Control) dan RLP (Radio
Link Protocol) membangun data link layer pada jaringan nirkabel. IP membangun
network layer sedangkan transport layer mempunyai protokol TCP atau UDP. Namun,
untuk memperbaiki kinerja UDP dimodifikasi menjadi UDP Lite yang akan dijelaskan
kemudian. Pada application layer digunakan codec MPEG-4.
4
Gambar 1. Tingkatan protokol
Application Layer: MPEG-4
MPEG-4 (ISO 14496) menawarkan fitur-fitur baru yang tidak dimiliki oleh pendahulunya
yaitu MPEG-1 dan MPEG-2. Fitur-fitur itu antara lain meliputi efisiensi kompresi,
koreksi error, dan interaktif content. MPEG-4 bekerja pada berbagai kecepatan, mulai
dari 64 kbps yang biasanya digunakan untuk transmisi nirkabel sampai dengan 4 Mbps
yang digunakan untuk penyiaran (broadcasting). Oleh karena itu, MPEG-4 digunakan
dalam berbagai aplikasi seperti streaming multimedia melalui internet atau LAN,
penyiaran multimedia data, dan video conference.
Perbaikan error (error resilient tools) pada MPEG-4 dilakukan dengan empat cara
yaitu:
Resynchronization
Encoder menyisipkan tanda unik pada aliran bit (bitstream). Jika error terjadi,
decoder dapat melewatkan bit-bit selanjutnya sampai tanda berikutnya dan memulai
kembali decoding dari titik itu.
Data partitioning
Data dibagi menjadi dua. Pertama, data yang berisi informasi mode coding untuk
setiap macroblock. Yang kedua, data koefisien DC (intra macroblock) dan motion
vector (inter macroblock). Yang paling penting adalah bagian yang pertama. Jika
5
bagian yang pertama dapat diperbaiki, biasanya decoder dapat pula memperbaiki
paket tersebut meskipun bagian yang kedua terdapat error akibat transmisi.
Header extention code
Header ditambahkan informasi redundant sehingga error pada header dapat dikurangi.
Reversible VLCs
Pertama kali, decoder mengdekodekan paket dalam arah maju, jika terjadi error, maka
paket didekodekan dalam arah sebaliknya dimulai dari synchronization marker
didepannya.
Transport Layer: TCP dan UDP atau UDP Lite
Protokol pada transport layer biasanya adalah TCP atau UDP. TCP adalah suatu protocol
yang andal (reliable). Jika terjadi error maka TCP akan meminta pengiriman ulang paket.
Untuk transmisi video biasanya digunakan UDP atau UDP Lite. UDP merupakan
protokol yang kurang andal. Paket yang error akan langsung dibuang tanpa meminta
pengiriman ulang. UDP Lite merupakan suatu versi yang lebih “ringan” dari UDP. Pada
UDP Lite diperkenalkan bagian sensitif dan bagian tidak sensitif. Jika error terjadi pada
bagian sensitif (biasanya termasuk header) maka paket tersebut akan langsung dibuang,
namun bila error terjadi pada bagian tidak sensitif maka paket akan diteruskan ke
application layer.
Data Link Layer: RLP dan MAC
Data link layer menggunakan RLP sebagai protokolnya sedangkan MAC layer adalah
sublayer dari data link layer. RLP digunakan untuk memperbaiki error pada layer yang
lebih rendah. RLP membagi-bagi paket menjadi radio unit yang panjangnya adalah 300
sampai 600 bit. Satu radio unit terdiri dari CRC (Cyclic Redundancy Check) header
untuk mendeteksi error pada radio unit tersebut. RLP yang menggunakan mekanisme
ARQ untuk memperbaiki error disebut mode non-transparent. RLP juga dapat bekerja
dalam mode transparent dimana tidak ada mekanisme pengendalian error.
MAC layer menyediakan akses dengan penjadwalan (contention-based) dan tanpa
penjadwalan (contention-free) kepada pengguna. Protokol MAC menggunakan teknikteknik sebagai berikut: FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time
6
Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access), ALOHA, dan
CSMA (Carrier Sense Multiple Access).
Throughput dari MAC layer dipengaruhi oleh beberapa faktor [8]:
Throughput dari PHY Layer
Protocol timing overhead seperti jarak interframe dan waktu acknowledgement
Waktu dimana medium sibuk dengan pengiriman orang lain
Waktu yang tidak terpakai di jaringan
PHY Layer
Pada PHY layer dilakukan modulasi dan skema koding. Skema modulasi yang
memberikan bit per symbol yang lebih besar meningkatkan data rate. Namun data rate
yang besar dapat pula dicapai dengan menambahkan antena transmisi (multiple antenna).
Multiple antenna dapat meningkatkan jangkauan dan keandalan data yang dikirimkan
pada satu kanal tanpa meningkatkan data rate.
5. Algoritma Pengendalian Error
Berdasarkan Gambar 1, maka Ding et. Al [1] mengajukan algoritma pengendalian error
baik pada pengirim (sender) maupun pada penerima (receiver) sebagai berikut.
Algoritma pada pengirim
1. Pada application layer, codec melakukan koding video untuk mendapatkan bitstream
dengan ukuran yang lebih kecil. Untuk pengendalian error maka video data tersebut
dibagi-bagi dalam paket-paket yang masing-masing berukuran N = 255 byte termasuk
parity data sebesar R byte. Sehingga ukuran asli data video adalah N – R byte.
2. Tambahkan UDP Lite header dimana checksum hanya meliputi header-nya.
3. Tambahkan IP header dengan IP checksum.
4. Pada RLP, paket-paket tersebut dibagi-bagi lagi menjadi sejumlah radio unit dengan
panjang yang sama dan kemudian tambahkan CRC untuk deteksi error. Atur waktu
untuk pengiriman radio unit dan kirimkan kembali unit tersebut jika timeout terjadi
(NACK diterima dari penerima). Jika pengirim masih mendapatkan NACK setelah
nmax kali pengiriman, maka frame tersebut akan dibuang dan timer di set ulang.
7
5. Kirimkan radio unit melalui MAC dan jaringan nirkabel sampai ke penerima.
Algoritma pada penerima
1. Pada RLP, deteksi error pada radio unit yang diterima, kemudian susun radio unitradio unit tersebut, dan kirim ke IP layer. Jika error terdeteksi pada header, maka
kirimkan NACK ke pengirim dan tentukan waktu untuk pengiriman kembali NACK.
2. Pada IP layer, lakukan checksum IP header. Jika checksum error maka buang paket
tersebut. Jika tidak, kirimkan ke transport layer.
3. Pada transport layer, maka UDP Lite melakukan checksum pada header. Jika error
maka paket dibuang. Jika tidak, kirim ke application layer.
4. Pada application layer, lakukan algoritma pengendalian error, susun paket-paket
tersebut untuk mendapatkan video yang utuh, dan lakukan buffer sampai waktu yang
cukup untuk dimainkan. Jika error pada penerima tidak lebih besar dari kapasitas
kemampuan memperbaiki error algoritma yang digunakan, sebagai contoh: untuk RS
tidak melebihi R/2, maka error dapat diperbaiki. Jika error yang terjadi terlalu banyak,
maka berikan tanda pada RLP layer untuk mengirimkan NACK sesegera mungkin
karena masih ada kemungkinan untuk menerima data yang baik sebelum dimainkan.
Jika masih ada data yang error maka pengendalian error pada decoder (error resilient
tools) dapat digunakan, namun akan berpengaruh pada kualitas video.
6. Analisa Algoritma
Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada algoritma pengendalian error di atas adalah
sebagai berikut:
1. Dengan menggunakan teknik RS, yaitu dengan menambahkan parity bit dengan
panjang R byte, maka sejumlah tertentu error dapat diperbaiki. Dengan demikian,
semakin panjang R, maka semakin banyak pula error yang dapat diperbaiki. Namun
dengan menambah R maka traffic akan bertambah pula sehingga dapat memperbesar
kemungkinan paket yang hilang akibat congestion.
2. Cara yang lebih baik untuk menerapkan R adalah dengan algoritma adaptif sebagai
berikut. Pada langkah ke empat pada algoritma penerima, pada saat penerima
8
mengirimkan NACK maka sebaiknya pengirim menambah R untuk meningkatkan
kapasitas perbaikan error yaitu:
R
2k
R0
(1)
dengan R0 adalah nilai awal R dan k ditambahkan 1 untuk NACK berikutnya.
Untuk kasus dimana tidak ada NACK yang dikirimkan, maka nilai R dikurangi
supaya mengurangi traffic jaringan, yaitu:
R
R0
Rstep
(2)
dengan Rstep adalah nilai penurunan.
3. Dari algoritma di atas dapat dituliskan suatu prinsip yaitu semakin tinggi tingkatan
layer-nya maka akan semakin pintar. Sebagai contoh:
Pengendalian error pada application layer bertanggung jawab atas perbaikan error,
mengatur R dan melakukan permintaan untuk mengirim NACK.
RLP layer hanya melakukan deteksi error dan semi-ARQ.
Pada RLP dan UDP, data diteruskan ke layer atasnya meskipun ada error yang
terjadi pada payloadnya.
Prof. Deshpande Vivek [8] mengajukan perlunya transmisi ulang pada MAC layer.
7. Analisa Kinerja
Analisa kinerja dilakukan pada RLP layer, transport layer, dan application layer [1]. Kita
anggap bahwa bit error probability kanal nirkabel adalah pb .
1. RLP layer
Probabilitas error radio unit pada RLP layer diberikan oleh:
pR
1
1 pb
M1 H1
(3)
dengan M 1 dan H1 adalah panjang data body dan header berturut-turut.
Efisiensi transmisi untuk radio unit yang didefinisikan sebagai perbandingan dari
banyaknya mengirimkan satu radio unit tanpa loss dan dengan loss-dan-pengiriman
kembali.
9
M 1 H1
R
nmax 1
(4)
nmax 1
2 n 1 H 1 pn 0
nM 1
2nmax 1 H1
nmax M 1
1
n 1
dengan pn 0
pn 0
k 1
pRn
1
1 pR
mewakilkan probabilitas dari n – 1 radio unit yang error
sebelum pengiriman kembali yang berhasil.
2. Transport Layer
Untuk UDP probabilitas error diberikan oleh:
pUDP 1
M 2 H2
M1
1 pR
(5)
dengan M 2 adalah payload dan H 2 adalah header UDP. Untuk UDP Lite maka
probabilitas errornya adalah
pUDP
1
Lite
1 pR
H2
M1
(6)
Efisiensi untuk UDP diberikan oleh:
UDP
M2
H2
M1
M2
M1
H2
(7)
1
M 1 H1
pUDP
Untuk efisiensi UDP Lite sama seperti Persamaan (7) hanya pUDP diganti dengan
pUDP
Lite
.
3. Application layer
Jika tidak ada pengendalian error pada layer dibawah transport layer, maka semua
data yang error akan diteruskan ke application layer dengan packet error rate
papp1 1
1 pb
M2 1
M 2 H2
M1 H1
M1
n 1
M2
n
pbM 2
n
1 pb
n
(8)
Ketika pengendalian error ditambahkan, maka sistem dapat memperbaiki error
sebanyak R byte dari paket sebesar M 2 byte. Maka probabilitas error menjadi
M2 R 1
papp 2
n 1
M2
n
pbM 2
n
1 pb
n
(9)
Persamaan (9) mengindikasikan bahwa jika ada pengndalian error maka probabilitas
error dapat dikurangi.
Efisiensi pada application layer dapat dituliskan sebagai:
10
M2
app
n 1
dengan pn
M 2 H2
M 1 H1
M1
(10)
n 1 M 1 H1
pn
n 1
pUDP
1 pUDP
8. Implementasi
Untuk penerapannya, dipilih BER sebesar pb
0.01 , M 1 = 50 byte, H1 = 2 byte, M 2 =
255 byte, dan H 2 = 28 byte. Gambar 2 menunjukkan video data loss yang terjadi tanpa
pengendalian error. Rata-rata loss nya adalah sekitar 6,5 byte/frame.
Gambar 2. Video data loss tanpa pengendalian error
Jika dilakukan pengendalian error dengan menambahkan parity data sebesar R = 16
byte, maka data loss nya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Rata-rata loss nya
menjadi sangat kecil yaitu sekitar 0,068 byte/frame.
Gambar 3. Video data loss dengan pengendalian error
11
Seperti yang telah diungkapkan di atas, kerugian menambahkan parity data adalah
akan semakin menambah traffic pada jaringan. Dengan demikian, maka diterapkan
algoritma adaptif dengan R0 = 16 byte, Rstep = 2 byte, Rmin = 0 byte, dan Rmax = 32 byte.
Hasilnya ditunjukkan oleh Gambar 4 dengan rata-rata loss sebesar 1,63 byte/frame.
Gambar 4. Video data loss dengan algoritma adaptif
Selain itu, Singh et. al [2] menunjukkan juga perbandingan packet loss antara UDP
dengan RLP non-transparent, UDP dengan RLP transparent, dan UDP Lite dengan RLP
transparent seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Perbandingan packet loss
Dari Gambar 5, paket loss untuk UDP, non-transparent adalah 0% karena RLP
menggunakan ARQ untuk mengirim ulang data yang error. Loss yang tinggi dicapai
untuk kondisi UDP, transparent karena baik link layer maupun transport layer tidak
12
menyediakan pengendalian error. Untuk UDP Lite, transparent error nya lebih kecil
disbanding dengan UDP karena UDP Lite mengabaikan error pada payload.
9. Kesimpulan
Dengan adanya teknik-teknik perbaikan error dan juga algoritma perbaikan error yang
sesuai maka diharapkan error yang terjadi akibat sifat alamiah jaringan nirkabel dapat
dikurangi. Selain itu dengan diterapkannya algoritma adaptif maka akan mengurangi
traffic yang akan mengurangi data loss akibat congestion.
13
REFERENSI
[1] Ding, Gang, Halima Ghafoor, dan Bharat Bhargava. Error Resilient Video
Transmission over Wireless Networks. The 6th IEEE International Conference,
2003.
[2] Singh, Amoolya, Almudena Konrad, dan Anthony D. Joseph. Performance
Evaluation of UDP Lite for Cellular Video. UC Berkeley, 2001.
[3] Kurose, James F dan Keith W. Ross. Computer Networking: A Top Down Approach
Featuring The Internet, 3rd edition. Addison-Wesley, 2004.
[4] Liu, Hang, et al. Error Control Schemes for Networks: An Overview. Mobile
Networks and Applications, 1997.
[5] Ding, Gang, X. Wu, dan Bharat Bhargava. Cross Layer Control of Real Time Data
Transmission over Wireless Networks. CRC Press, 2005.
[6] Ebrahimi, Touradj and Caspar Horne. MPEG-4 Natural Video Coding – An Overview.
Freemont, 2002.
[7] Stojmenović, Ivan. Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing. John
Wiley & Sons, 2002.
[8] Vivek, Deshpande. Multimedia Streaming Through Wireless Networks. Maharashtra
Institute Of Technology Women Engineering, 2007
14
15
LAYER UNTUK TRANSMISI DATA PADA
JARINGAN NIRKABEL
Oleh:
Filbert Hilman Juwono
0706305280
Ditujukan untuk kuliah Komunikasi Nirkabel
Departemen Elektro
Fakultas Teknik
Universitas Indonesia
2008
ABSTRAK
Tantangan utama dari transmisi data pada jaringan nirkabel adalah berkaitan dengan bit
rate yang rendah dan error rate yang tinggi dibandingkan dengan jaringan kabel. Dengan
demikian perlu dilakukan pengendalian error dalam setiap tingkatan transmisi. Data link
layer, transport layer, dan application layer diberikan suatu teknik pengendalian error
untuk mengatasi masalah itu. Selain itu, algoritma adaptif juga diberikan untuk mengatur
panjang parity data. Hasil implementasi ditunjukkan dalam grafik yang menyatakan
packet loss pada data video.
1
1. Pendahuluan: Latar Belakang
Teknologi nirkabel merupakan suatu teknologi yang akan berkembang pesat di masa
depan. Sebagai contoh perangkat selular yang pada awalnya ditujukan untuk
pembicaraan, sekarang telah digunakan untuk melakukan komunikasi multimedia seperti
video streaming. Multimedia meliputi perpaduan antara suara, gambar, tulisan, dan data.
Video merupakan salah satu aplikasi multimedia yang populer. Namun, data video
memerlukan bandwidth yang lebih besar dan tanggapan yang lebih rendah dibandingkan
dengan data tulisan, suara, atau gambar. Oleh karena itu, tantangan utama transmisi video
melalui jaringan nirkabel adalah berhubungan dengan bandwidth yang rendah dan error
yang besar. Jaringan nirkabel meliputu berbagai macam tipe seperti jaringan seluler dan
WLAN (wireless local area networks). Jaringan 3G dengan standar 3GPP dan 3GPP2
dapat menyediakan data rate sampai 384 Kbps bahkan 2 Mbps dan IEEE 802.11 (WiFi)
dapat menyediakan data rate hingga 54 Mbps.
Generasi terbaru jaringan seluler memungkinkan untuk menyalurkan data dengan
kecepatan rendah, untuk kanal nirkabel adalah sekitar 9,6 kbps. Namun, kanal nirkabel
merupakan suatu lingkungan yang rentan terhadap error. Oleh karena itu untuk
mendapatkan hasil layanan multimedia yang memuaskan perlu dilakukan perbaikan error
(error resilient) pada berbagai tingkatan pelayanan. Selain itu, sensitifitas persepsi
manusia membuat suatu persyaratan yang ketat (QoS) untuk masalah delay, delay jitter,
dan kualitas gambar [2]. Untuk mengatasi masalah itu, maka dibutuhkan algoritma
pengendalian error dan juga pemodifikasian protokol-protokol pada link layer dan
transport layer. Selain itu juga digunakan codec yang mendukung error resilient seperti
MPEG-4.
Dalam makalah ini akan dibahas mengenai transmisi video yang mengirim datadata video secara real-time melalui jaringan nirkabel dan setelah itu akan ditunjukkan
hasil kinerjanya.
2. Jaringan Nirkabel Sebagai Lingkungan yang Rentan Error
Perbedaan antara jaringan wireless dan jaringan wire berada di bagian bawah dari
transport layer. Jaringan wireless melibatkan berbagai jenis jaringan akses radio seperti
jaringan selular dan WLAN.
2
Jaringan atau link nirkabel dapat dianggap sebagai error generator [1]. Hal tersebut
dapat disebabkan karena berbagai hal yang bersifat alamiah seperti [4]:
1. Penurunan kuat sinyal yang disebabkan oleh dispersi begitu sinyal menempuh jarak
yang jauh dan atenuasi begitu sinyal melewati benda-benda atau penghalang.
2. Interferensi akibat sumber-sumber lain dengan pita frekuensi yang sama seperti 2,4
GHz wireless phone berinteferensi dengan IEEE 802.11b.
3. Adanya propagasi multipath. Sinyal akan melakukan pantulan berkali-kali sehingga
sinyal akan melintasi jalur yang berbeda yang menyebabkan adanya fading baik fast
fading maupun slow fading. Selain itu juga akan menyebabkan adanya delay spread.
3. Metode Perbaikan Error (Error Control) [4]
Karena jaringan nirkabel merupakan error generator, maka perlu adanya cara-cara untuk
mengurangi efek dari error tersebut. Salah satu caranya adalah dengan menambah daya
transmisi. Namun hal tersebut membutuhkan banyak energi (lebih boros) dan juga akan
memperbesar interferensi dengan sumber lainnya.
Cara yang lain adalah dengan melakukan deteksi dan perbaikan error dengan
teknik-teknik pengendalian error. Teknik pengendalian error yang sering digunakan
adalah FEC (Forward Error Correction) dan ARQ (Automatic Repeat reQuest). Prinsip
dasar FEC adalah dengan menambahkan redundancy yang digunakan untuk mendeteksi
dan mengkoreksi error sedangkan prinsip ARQ adalah hanya mendeteksi error dan
kemudian melakukan permintaan supaya paket yang error dikirim kembali. Dalam
makalah ini teknik yang digunakan adalah ARQ dan Reed-Solomon (RS) yang
menggunakan prinsip FEC.
Reed-Solomon (RS) Code
Jika suatu blok pesan mempunyai panjang K dan ditambahkan parity check bit dengan
panjang N – K = 2t maka panjang codeword-nya menjadi N dengan N > K. RS
mempunyai jarak minimum (minimum distance) sebanyak d min
2t 1 . Selain itu RS
dapat memperbaiki error sebanyak t elemen per codeword atau sebanyak N
3
K 2 . RS
memberikan koreksi error yang optimal dengan parity bit yang konstan dan sangat baik
untuk mengatasi burst error.
Automatic Repeat reQuest (ARQ)
Dalam skema ini, pesan dibagi-bagi dalam blok-blok (paket) dalam ukuran yang sesuai.
Kemudian akan ditambahkan sejumlah parity bit sebelum dikirimkan. Pada sisi penerima
parity bit tersebut digunakan untuk mendeteksi error. Jika error terjadi maka akan
dilakukan permintaan untuk pengiriman kembali paket yang error tersebut.
ARQ bekerja dengan cara sebagai berikut. Transmitter memberikan nomor pada
paket-paket yang akan dikirim secara berurutan dan menentukan waktu setiap kali paket
dikirim. Selanjutnya receiver akan memberi tahu (acknowledge) setiap paket yang
berhasil diterima dengan baik dengan cara mengirimkan paket yang disebut ACK beserta
nomor paket yang berhasil diterima. Jika paket tersebut tidak diterima maka ACK tidak
akan dikirimkan. Jika transmitter tidak menerima ACK dalam waktu yang ditentukan
(disebut timeout) maka paket tersebut dianggap rusak atau hilang, sehingga dilakukan
pengiriman kembali.
Dalam beberapa kasus, digunakan NACK (negative acknowledgement) sebagai
pengganti ACK. Berlawanan dengan ACK, NACK dikirimkan jika error terjadi. Tetapi,
jika paket yang dikirimkan itu hilang maka NACK tidak dapat dikirimkan.
4. Tingkatan protokol
Suatu tingkatan protokol untuk transmisi video melalui nirkabel diajukan oleh Ding et. al
[1] seperti ditunjukkan pada Gambar 1. MAC (Medium Access Control) dan RLP (Radio
Link Protocol) membangun data link layer pada jaringan nirkabel. IP membangun
network layer sedangkan transport layer mempunyai protokol TCP atau UDP. Namun,
untuk memperbaiki kinerja UDP dimodifikasi menjadi UDP Lite yang akan dijelaskan
kemudian. Pada application layer digunakan codec MPEG-4.
4
Gambar 1. Tingkatan protokol
Application Layer: MPEG-4
MPEG-4 (ISO 14496) menawarkan fitur-fitur baru yang tidak dimiliki oleh pendahulunya
yaitu MPEG-1 dan MPEG-2. Fitur-fitur itu antara lain meliputi efisiensi kompresi,
koreksi error, dan interaktif content. MPEG-4 bekerja pada berbagai kecepatan, mulai
dari 64 kbps yang biasanya digunakan untuk transmisi nirkabel sampai dengan 4 Mbps
yang digunakan untuk penyiaran (broadcasting). Oleh karena itu, MPEG-4 digunakan
dalam berbagai aplikasi seperti streaming multimedia melalui internet atau LAN,
penyiaran multimedia data, dan video conference.
Perbaikan error (error resilient tools) pada MPEG-4 dilakukan dengan empat cara
yaitu:
Resynchronization
Encoder menyisipkan tanda unik pada aliran bit (bitstream). Jika error terjadi,
decoder dapat melewatkan bit-bit selanjutnya sampai tanda berikutnya dan memulai
kembali decoding dari titik itu.
Data partitioning
Data dibagi menjadi dua. Pertama, data yang berisi informasi mode coding untuk
setiap macroblock. Yang kedua, data koefisien DC (intra macroblock) dan motion
vector (inter macroblock). Yang paling penting adalah bagian yang pertama. Jika
5
bagian yang pertama dapat diperbaiki, biasanya decoder dapat pula memperbaiki
paket tersebut meskipun bagian yang kedua terdapat error akibat transmisi.
Header extention code
Header ditambahkan informasi redundant sehingga error pada header dapat dikurangi.
Reversible VLCs
Pertama kali, decoder mengdekodekan paket dalam arah maju, jika terjadi error, maka
paket didekodekan dalam arah sebaliknya dimulai dari synchronization marker
didepannya.
Transport Layer: TCP dan UDP atau UDP Lite
Protokol pada transport layer biasanya adalah TCP atau UDP. TCP adalah suatu protocol
yang andal (reliable). Jika terjadi error maka TCP akan meminta pengiriman ulang paket.
Untuk transmisi video biasanya digunakan UDP atau UDP Lite. UDP merupakan
protokol yang kurang andal. Paket yang error akan langsung dibuang tanpa meminta
pengiriman ulang. UDP Lite merupakan suatu versi yang lebih “ringan” dari UDP. Pada
UDP Lite diperkenalkan bagian sensitif dan bagian tidak sensitif. Jika error terjadi pada
bagian sensitif (biasanya termasuk header) maka paket tersebut akan langsung dibuang,
namun bila error terjadi pada bagian tidak sensitif maka paket akan diteruskan ke
application layer.
Data Link Layer: RLP dan MAC
Data link layer menggunakan RLP sebagai protokolnya sedangkan MAC layer adalah
sublayer dari data link layer. RLP digunakan untuk memperbaiki error pada layer yang
lebih rendah. RLP membagi-bagi paket menjadi radio unit yang panjangnya adalah 300
sampai 600 bit. Satu radio unit terdiri dari CRC (Cyclic Redundancy Check) header
untuk mendeteksi error pada radio unit tersebut. RLP yang menggunakan mekanisme
ARQ untuk memperbaiki error disebut mode non-transparent. RLP juga dapat bekerja
dalam mode transparent dimana tidak ada mekanisme pengendalian error.
MAC layer menyediakan akses dengan penjadwalan (contention-based) dan tanpa
penjadwalan (contention-free) kepada pengguna. Protokol MAC menggunakan teknikteknik sebagai berikut: FDMA (Frequency Division Multiple Access), TDMA (Time
6
Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access), ALOHA, dan
CSMA (Carrier Sense Multiple Access).
Throughput dari MAC layer dipengaruhi oleh beberapa faktor [8]:
Throughput dari PHY Layer
Protocol timing overhead seperti jarak interframe dan waktu acknowledgement
Waktu dimana medium sibuk dengan pengiriman orang lain
Waktu yang tidak terpakai di jaringan
PHY Layer
Pada PHY layer dilakukan modulasi dan skema koding. Skema modulasi yang
memberikan bit per symbol yang lebih besar meningkatkan data rate. Namun data rate
yang besar dapat pula dicapai dengan menambahkan antena transmisi (multiple antenna).
Multiple antenna dapat meningkatkan jangkauan dan keandalan data yang dikirimkan
pada satu kanal tanpa meningkatkan data rate.
5. Algoritma Pengendalian Error
Berdasarkan Gambar 1, maka Ding et. Al [1] mengajukan algoritma pengendalian error
baik pada pengirim (sender) maupun pada penerima (receiver) sebagai berikut.
Algoritma pada pengirim
1. Pada application layer, codec melakukan koding video untuk mendapatkan bitstream
dengan ukuran yang lebih kecil. Untuk pengendalian error maka video data tersebut
dibagi-bagi dalam paket-paket yang masing-masing berukuran N = 255 byte termasuk
parity data sebesar R byte. Sehingga ukuran asli data video adalah N – R byte.
2. Tambahkan UDP Lite header dimana checksum hanya meliputi header-nya.
3. Tambahkan IP header dengan IP checksum.
4. Pada RLP, paket-paket tersebut dibagi-bagi lagi menjadi sejumlah radio unit dengan
panjang yang sama dan kemudian tambahkan CRC untuk deteksi error. Atur waktu
untuk pengiriman radio unit dan kirimkan kembali unit tersebut jika timeout terjadi
(NACK diterima dari penerima). Jika pengirim masih mendapatkan NACK setelah
nmax kali pengiriman, maka frame tersebut akan dibuang dan timer di set ulang.
7
5. Kirimkan radio unit melalui MAC dan jaringan nirkabel sampai ke penerima.
Algoritma pada penerima
1. Pada RLP, deteksi error pada radio unit yang diterima, kemudian susun radio unitradio unit tersebut, dan kirim ke IP layer. Jika error terdeteksi pada header, maka
kirimkan NACK ke pengirim dan tentukan waktu untuk pengiriman kembali NACK.
2. Pada IP layer, lakukan checksum IP header. Jika checksum error maka buang paket
tersebut. Jika tidak, kirimkan ke transport layer.
3. Pada transport layer, maka UDP Lite melakukan checksum pada header. Jika error
maka paket dibuang. Jika tidak, kirim ke application layer.
4. Pada application layer, lakukan algoritma pengendalian error, susun paket-paket
tersebut untuk mendapatkan video yang utuh, dan lakukan buffer sampai waktu yang
cukup untuk dimainkan. Jika error pada penerima tidak lebih besar dari kapasitas
kemampuan memperbaiki error algoritma yang digunakan, sebagai contoh: untuk RS
tidak melebihi R/2, maka error dapat diperbaiki. Jika error yang terjadi terlalu banyak,
maka berikan tanda pada RLP layer untuk mengirimkan NACK sesegera mungkin
karena masih ada kemungkinan untuk menerima data yang baik sebelum dimainkan.
Jika masih ada data yang error maka pengendalian error pada decoder (error resilient
tools) dapat digunakan, namun akan berpengaruh pada kualitas video.
6. Analisa Algoritma
Beberapa hal yang perlu diperhatikan pada algoritma pengendalian error di atas adalah
sebagai berikut:
1. Dengan menggunakan teknik RS, yaitu dengan menambahkan parity bit dengan
panjang R byte, maka sejumlah tertentu error dapat diperbaiki. Dengan demikian,
semakin panjang R, maka semakin banyak pula error yang dapat diperbaiki. Namun
dengan menambah R maka traffic akan bertambah pula sehingga dapat memperbesar
kemungkinan paket yang hilang akibat congestion.
2. Cara yang lebih baik untuk menerapkan R adalah dengan algoritma adaptif sebagai
berikut. Pada langkah ke empat pada algoritma penerima, pada saat penerima
8
mengirimkan NACK maka sebaiknya pengirim menambah R untuk meningkatkan
kapasitas perbaikan error yaitu:
R
2k
R0
(1)
dengan R0 adalah nilai awal R dan k ditambahkan 1 untuk NACK berikutnya.
Untuk kasus dimana tidak ada NACK yang dikirimkan, maka nilai R dikurangi
supaya mengurangi traffic jaringan, yaitu:
R
R0
Rstep
(2)
dengan Rstep adalah nilai penurunan.
3. Dari algoritma di atas dapat dituliskan suatu prinsip yaitu semakin tinggi tingkatan
layer-nya maka akan semakin pintar. Sebagai contoh:
Pengendalian error pada application layer bertanggung jawab atas perbaikan error,
mengatur R dan melakukan permintaan untuk mengirim NACK.
RLP layer hanya melakukan deteksi error dan semi-ARQ.
Pada RLP dan UDP, data diteruskan ke layer atasnya meskipun ada error yang
terjadi pada payloadnya.
Prof. Deshpande Vivek [8] mengajukan perlunya transmisi ulang pada MAC layer.
7. Analisa Kinerja
Analisa kinerja dilakukan pada RLP layer, transport layer, dan application layer [1]. Kita
anggap bahwa bit error probability kanal nirkabel adalah pb .
1. RLP layer
Probabilitas error radio unit pada RLP layer diberikan oleh:
pR
1
1 pb
M1 H1
(3)
dengan M 1 dan H1 adalah panjang data body dan header berturut-turut.
Efisiensi transmisi untuk radio unit yang didefinisikan sebagai perbandingan dari
banyaknya mengirimkan satu radio unit tanpa loss dan dengan loss-dan-pengiriman
kembali.
9
M 1 H1
R
nmax 1
(4)
nmax 1
2 n 1 H 1 pn 0
nM 1
2nmax 1 H1
nmax M 1
1
n 1
dengan pn 0
pn 0
k 1
pRn
1
1 pR
mewakilkan probabilitas dari n – 1 radio unit yang error
sebelum pengiriman kembali yang berhasil.
2. Transport Layer
Untuk UDP probabilitas error diberikan oleh:
pUDP 1
M 2 H2
M1
1 pR
(5)
dengan M 2 adalah payload dan H 2 adalah header UDP. Untuk UDP Lite maka
probabilitas errornya adalah
pUDP
1
Lite
1 pR
H2
M1
(6)
Efisiensi untuk UDP diberikan oleh:
UDP
M2
H2
M1
M2
M1
H2
(7)
1
M 1 H1
pUDP
Untuk efisiensi UDP Lite sama seperti Persamaan (7) hanya pUDP diganti dengan
pUDP
Lite
.
3. Application layer
Jika tidak ada pengendalian error pada layer dibawah transport layer, maka semua
data yang error akan diteruskan ke application layer dengan packet error rate
papp1 1
1 pb
M2 1
M 2 H2
M1 H1
M1
n 1
M2
n
pbM 2
n
1 pb
n
(8)
Ketika pengendalian error ditambahkan, maka sistem dapat memperbaiki error
sebanyak R byte dari paket sebesar M 2 byte. Maka probabilitas error menjadi
M2 R 1
papp 2
n 1
M2
n
pbM 2
n
1 pb
n
(9)
Persamaan (9) mengindikasikan bahwa jika ada pengndalian error maka probabilitas
error dapat dikurangi.
Efisiensi pada application layer dapat dituliskan sebagai:
10
M2
app
n 1
dengan pn
M 2 H2
M 1 H1
M1
(10)
n 1 M 1 H1
pn
n 1
pUDP
1 pUDP
8. Implementasi
Untuk penerapannya, dipilih BER sebesar pb
0.01 , M 1 = 50 byte, H1 = 2 byte, M 2 =
255 byte, dan H 2 = 28 byte. Gambar 2 menunjukkan video data loss yang terjadi tanpa
pengendalian error. Rata-rata loss nya adalah sekitar 6,5 byte/frame.
Gambar 2. Video data loss tanpa pengendalian error
Jika dilakukan pengendalian error dengan menambahkan parity data sebesar R = 16
byte, maka data loss nya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Rata-rata loss nya
menjadi sangat kecil yaitu sekitar 0,068 byte/frame.
Gambar 3. Video data loss dengan pengendalian error
11
Seperti yang telah diungkapkan di atas, kerugian menambahkan parity data adalah
akan semakin menambah traffic pada jaringan. Dengan demikian, maka diterapkan
algoritma adaptif dengan R0 = 16 byte, Rstep = 2 byte, Rmin = 0 byte, dan Rmax = 32 byte.
Hasilnya ditunjukkan oleh Gambar 4 dengan rata-rata loss sebesar 1,63 byte/frame.
Gambar 4. Video data loss dengan algoritma adaptif
Selain itu, Singh et. al [2] menunjukkan juga perbandingan packet loss antara UDP
dengan RLP non-transparent, UDP dengan RLP transparent, dan UDP Lite dengan RLP
transparent seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Perbandingan packet loss
Dari Gambar 5, paket loss untuk UDP, non-transparent adalah 0% karena RLP
menggunakan ARQ untuk mengirim ulang data yang error. Loss yang tinggi dicapai
untuk kondisi UDP, transparent karena baik link layer maupun transport layer tidak
12
menyediakan pengendalian error. Untuk UDP Lite, transparent error nya lebih kecil
disbanding dengan UDP karena UDP Lite mengabaikan error pada payload.
9. Kesimpulan
Dengan adanya teknik-teknik perbaikan error dan juga algoritma perbaikan error yang
sesuai maka diharapkan error yang terjadi akibat sifat alamiah jaringan nirkabel dapat
dikurangi. Selain itu dengan diterapkannya algoritma adaptif maka akan mengurangi
traffic yang akan mengurangi data loss akibat congestion.
13
REFERENSI
[1] Ding, Gang, Halima Ghafoor, dan Bharat Bhargava. Error Resilient Video
Transmission over Wireless Networks. The 6th IEEE International Conference,
2003.
[2] Singh, Amoolya, Almudena Konrad, dan Anthony D. Joseph. Performance
Evaluation of UDP Lite for Cellular Video. UC Berkeley, 2001.
[3] Kurose, James F dan Keith W. Ross. Computer Networking: A Top Down Approach
Featuring The Internet, 3rd edition. Addison-Wesley, 2004.
[4] Liu, Hang, et al. Error Control Schemes for Networks: An Overview. Mobile
Networks and Applications, 1997.
[5] Ding, Gang, X. Wu, dan Bharat Bhargava. Cross Layer Control of Real Time Data
Transmission over Wireless Networks. CRC Press, 2005.
[6] Ebrahimi, Touradj and Caspar Horne. MPEG-4 Natural Video Coding – An Overview.
Freemont, 2002.
[7] Stojmenović, Ivan. Handbook of Wireless Networks and Mobile Computing. John
Wiley & Sons, 2002.
[8] Vivek, Deshpande. Multimedia Streaming Through Wireless Networks. Maharashtra
Institute Of Technology Women Engineering, 2007
14
15