## Analisis Dampak Variasi Data Transmisi pada Kinerja Protokol MAC Sistem Komunikasi Wireless Body Area Network
H. Lami 1 ,  S. I. Pella 2
1,2 Jurusan Teknik Elektro,Fakultas Sains dan Teknik  Universitas Nusa Cendana Adi Sucipto, Kupang, 85000, Indonesia
1) Email : h. lami@staf.undana.ac.id,
2) Emial: s.i.pella @staf.undana.ac.id

## ABSTRACT
The  media  access  control  (MAC)  protocols  have  significant  role  of  ensuring  the  success  of  data  transmission between  wireless  sensors  and  power  consumption  in  the  Wireless  Body  Area  Network  (WBAN).  This  study compares  the  performance  of  two  MAC  protocols,  namely  T-MAC  and  ZigbeeMAC  on  the  WBAN  system,  at different packet arrival rates (λ). The simulation results show that the network with a low λ the troughput of T-MAC and  ZigbeeMAC  protocols  reaches  an  average  of  90%  of  maximum throughput  even  though in this  condition  the performance  of  ZigbeeMAC  is  slightly  better  than  T-MAC.  At  high  packet  arrival  rates,  T-MAC  throughput  is significant higher than ZigbeeMAC. In the worst case, the throughput of T-MAC is 88% of maximum throughput while Zigbee decreases to 43% of maximum throughput. Power consumption on ZigbeeMAC tends to be constant for each packet arrival rate while T-MAC increases with increasing packet arrival rates. Keywords:  WBAN, T-MAC, ZigbeeMAC, Data Rate

## ABSTRAK
Protokol  media  access  control  (MAC)  berperan  menjamin  keberhasilan  transmisi  data  antar  sensor  nirkabel  dan konsumsi  daya  pada  Wireless  Body  Area  Network  (WBAN).  Penelitian  ini membandingkan  unjuk  kerja  dua  buah protocol MAC, yaitu T-MAC dan ZigbeeMAC pada sistem WBAN, pada laju  kedatangan paket (λ) yang berbeda. Hasil  simulasi  menunjukan  bahwa  pada  jaringan  dengan  λ  rendah  tingkat  keberhasilan  pengiriman  paket  antara protocol  T-MAC  dan  ZigbeeMAC  mencapai  rata-rata  90%  dari  throughput  maksimal  walaupun  pada  kondisi tersebut  kinerja  ZigbeeMAC  memiliki  nilai  lebih  baik  dibanding  T-MAC.  Pada  laju  kedatangan  paket  tinggi, throughput  pada  T-MAC  memiliki  perbedaan  yang  signifikan  terhadap  ZigbeeMAC.  Pada  keadaan  terburuk troughput T-MAC  adalah  88%  dari  throughput maksimal  sedangkan  Zigbee  menurun hingga  43%  dari throughput maksimal. Kosumsi daya pada ZigbeeMAC cenderung konstan untuk setiap laju kedatangan paket sedangkan pada T-MAC meningkat sejalan dengan pertambahan laju kedatangan paket.
Kata kunci: WBAN, T-MAC, ZigbeeMAC, Data Rate

## 1. PENDAHULUAN
Sistem  nirkabel  menawarkan  beberapa  fungsi  dalam mendukung  aktifitas  manusia  diantaranya  fungsi monitoring,  fungsi  controlling  dan  fungsi  tracking. Wireless  body  area  network  merupakan  salah  satu area  penerapan  teknologi  dalam  bidang  kesehatan. WBAN  menginformasikan  data  status  tingkat kesehatan pasien misalnya data ECG (electencephalograpy), tekanan darah, EGG (Electromyography).  Pengumpulan  data  satus  dapat terjadi  dengan  penempatan  beberapa  sistem  sensor pada bagian tubuh pasien seperti pada gambar 1[1].
Gambar 1. Arsitektur Tier-3 WBAN
Terdapat  tiga  jenis  aplikasi  WBAN  berdasarkan posisi penempatan sensor yaitu[2]:
1. Didalam  Tubuh,  misalnya  aplikasi  kapsul endoskop  dengan  data  rate  maksimum sebesar 2Mbps
2. Di  atas  tubuh  untuk  kebutuhan  medis, misalnya SPO2 dengan data rate maksimum 32 Kbps
3. Di atas tubuh bukan untuk kebutuhan medis, misalnya headset dengan data rate maksimum 1.4 Mbps.
Trasnmisi  data  antara  sensor  WBAN  menggunakan media  komunikasi  tanpa  kabel.  Dampaknya  adalah koordinasi  antara  sensor  rentan  terhadap  data collision,  idle  listening,  dan  over  hearing.  Menurut [3],  faktor  potensial  sebagai  pertimbangan  dalam disain    MAC  WBAN  adalah  troughput  dan  waktu aktif  jaringan  dengan  mengefisiensi  energy.  Untuk penelitian ini akan menganalisis  kinerja dua protokol MAC  yang  popular  untuk  WBAN  yaitu  Zigbee  dan T-MAC.
Zigbee  membagi  komunikasi  menggunakan  beacon mode  dan  non  beacon  mode.  Untuk  penelitian  ini hanya  menggunakan  beacon  mode  dimana  terdapat network  koordinator  yang  bertugas  mengontrol network  dengan  mengirimkan  beacon  secara  teratur untuk  sinkronisasi  perangkat  dan  kontrol  kondisi penggabungan  network.  Pada  mode  ini  hanya  dapat menggunakan  7  timeslot  dari  16  timeslot  yang tersedia[5][6][7]. Struktur frame Zigbee dapat dilihat pada gambar 2.
Gambar 2. Superframe Zigbee[4]
Berbeda dengan Zigbee, optimasi penggunaan energy pada T-MAC yaitu melalui pengurangan kondisi idle listening,  yaitu  kondisi  dimana  sebuah  node beroperasi  dengan  modul  komunikasi aktif  pada  saat tidak  terlibat  dalam  transmisi  data.  Gambar  3 memberikan  informasi  dimana  setiap  node  dalam  T- MAC secara periodik aktif  dalam slot waktu tertentu untuk  mengirimkan  pesan  sinkronisasi  dengan  node terdekatnya[8].  Dengan  demikian  node  tetangga
dalam  jangkauan  1-hope  harus  memiliki  ritme  slot yang sama dalam keadaan aktif. Apabila tidak terjadi maka konektifitas jaringan akan terputus.
Gambar 3. T-MAC siklus adaptive[9]

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian ini menggunakan simulator Castalia untuk menganalisis  kinerja  protocol  WBAN.  Castalia berjalan  diatas  model  OMnet++  dimana  struktur Castalia terdiri atas tiga bagian utama yaitu:
1. Komponen node
2. Physical process
3. Wireless channel
Gambar 4. Struktur Simulator Castalia[10]
Komponen node terdiri dari beberapa subsistem yaitu Sensor manager, Aplikasi, Routing, Mac, dan Radio. Komponen  node  melalui  sensor  manager  melakukan sampling terhadap physical proses yang disimulasikan oleh modul physical proses. Data yang
diperoleh  kemudian  diproses  melalui  komponen aplicatioan  layer  menghasilkan  paket  data  yang dikirimkan. Modul roting berfungsi untuk melakukan pencarian jalur pada paket apakah untuk sink maupun node.  Modul  MAC  berfungsi  untuk  mengatur  akses kanal  dan  proses  kirim  terima  paket  melaui  modul wireless. Wireless Kanal berfungsi memodelkan path loss dan background noise.
Skenario kedatangan paket pada penelitian ini terbagi dalam  dua  kondisi  yaitu  rate  paket  rendah  dan  rate paket tinggi.  Untuk  lebih  jelasnya  dapat  dilihat  pada tabel 1 mengenai parameter-parameter yang digunakan  dalam  proses  simulasi  dapat  dilihat  pada tabel 1, sebagai berikut:
Tabel 1. Parameter Komunikasi
Data Rate : 1024 Kbps Modulasi Bandwidth Sensitivity : DiffQPSK : 20MHz : -87 dBm Daya Pancar  (dBm) : -10 , -12, -15, -20, -25 Sleep : 0.05 Paket Header Data
Rate  Paket  Rendah (λ L ) Rate Paket Tinggi(λ H ) : 5 byte
: 100 byte : 5, 8, 10,12, 15, 18, 20, 23 : 10, 20, 30, 40, 50, 60
Waktu Simulasi
: 50 detik

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil  simulasi  perbandingan  antara  protocol  Zigbee dan T-MAC  dapat  dilihat  pada  gambar  5,  gambar 6, gambar 7, dan gambar 8. Pada Gambar 5 dan Gambar 6  terlihat  hasil  konsumsi  energy  pada  zigbee berfluktuasi  namun  hampir  sama  pada  semua  rate yaitu sebesar 0.06 Joule. Lain halnya dengan Zigbee, pada  rate  paket  rendah  maupun  tinggi  konsumsi energi  T-MAC  tidak  konstan  namun  meningkat mengikuti  kenaikan  rate  paket  hingga  melampaui konsumsi energy pada protocol Zigbee.
Pada  gambar  7  terlihat  throughput  pada  protocol Zigbee  sedikit  lebih  baik  dari  T-MAC.    Namun kondisi  tersebut  tidak  terjadi  ketika  protocol  ini menangani  rate  paket  tinggi.  Walaupun  Zigbee menggunakan  energi  lebih  sedikit  disbanding  T- MAC,  namun  protocol  ini  mengalami  saturasi  saat rate  paket  berada  pada  nilai  30  packet/sec/node hingga  60  packet/sec/node  sedangkan  pada  protocol T-MAC  nilai  throughput  meningkat  sebanding dengan  kenaikan  rate  paket.  Throughput  tertinggi pada  kondisi  ini  untuk  protocol  T-MAC  yaitu  90% dari throughput maksimal dan mengalami penurunan hingga mencapai nilai 88%  dari nilai maksimal.Pada
protokol  Zigbee  saat  terjadi  saturasi nilai  throughput tertinggi  adalah  93%  untuk  λ  =  10  packet/sec/node namun menurun secara signifikan dari 84.4% untuk λ = 30 packet/sec/node hingga mencapai 43.3% λ = 60 packet/sec/node.
Gambar 5. Rate Paket Rendah vs Konsumsi Energi
Gambar 6. Rate Paket Tinggi vs Konsumsi Energi
Gambar 7. Rate Paket Rendah vs Troghput
Gambar 8. Rate Paket Tinggi vs Troghput

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  simulasi  perbandingan  protocol Zigbee dan  T-MAC untuk komunikasi WBAN dapat disimpulkan sebagai berikut:
1. Jika hanya memepertimbangkan nilai throughput  yang  tinggi  maka  sebaiknya menggunakan  T-MAC  karena  protocol  ini memiliki  tren  meningkat  sebanding  dengan kenaikan rate paket.
2. Jika  mempertimbangkan  sistem  berjalan pada rate kecil dengan nilai throughput yang besar  maka  dapat  menggunakan  protocol Zigbee

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Chen, M., Gonzalez, S., Vasilakos, A., Cao, H. and Leung, V.C., 2011. Body area networks: A survey. Mobile networks and applications , 16 (2), pp.171-193.
[2] Movassaghi,  S.,  Abolhasan,  M.,  Lipman,  J., Smith,  D.  and  Jamalipour,  A.,  2014.  Wireless body area networks: A survey. IEEE Communications  Surveys  &  Tutorials , 16 (3), pp.1658-1686.
[3] Ullah,  S.,  Shen,  B.,  Riazul  Islam,  S.M.,  Khan, P., Saleem, S. and Sup Kwak, K., 2009. A study
of  MAC  protocols  for  WBANs. Sensors , 10 (1),
pp.128-145. [4] Timmons,  N.F.  and  Scanlon,  W.G.,  2004, October.  Analysis  of  the  performance  of  IEEE 802.15.  4  for  medical  sensor  body  area networking. In Sensor and ad hoc communications  and  networks,  2004.  IEEE SECON  2004.  2004  First  Annual  IEEE Communications  Society  Conference  on (pp. 16-24). IEEE. [5] Hayajneh,  T.,  Almashaqbeh,  G.,  Ullah,  S.  and Vasilakos,  A.V.,  2014.  A  survey  of  wireless technologies  coexistence  in  WBAN:  analysis and open research
issues. Wireless
Networks , 20 (8), pp.2165-2199.
[6] Chiplunkar,  N.,  Nayak,  K.  and  Prasad,  D. (2016).  Performance  Analysis  of  the  Physical and  Medium  Access  Control  Layer  Parameters with  Effect  of  Varying  Transmission  Power Using  IEEE  802.15.4  Standard  for  Wireless Body  Sensor  Networks. Procedia  Computer Science , 93, pp.639-646.
[7] Nepal,  S.,  Dahal,  S.  and  Shin,  S.,  2016.  Does the  IEEE  802.15.  4  MAC  Protocol  Work  Well in  Wireless  Body  Area  Networks. J.  Adv.
Comput. Netw , 4 (1), pp.52-57.
[8] Van  Dam,  T.  and  Langendoen,  K.,  2003, November.  An  adaptive  energy-efficient  MAC protocol for wireless sensor networks. In Proceedings of the 1st international conference  on  Embedded  networked  sensor systems (pp. 171-180). ACM.
[9] AlSkaif,  T.,  Bellalta,  B.,  Zapata,  M.G.  and Ordinas,  J.M.B.,  2017.  Energy  efficiency  of MAC  protocols  in  low  data  rate  wireless multimedia  sensor  networks:  A  comparative study. Ad Hoc Networks , 56 , pp.141-157.
[10] Cpham.perso.univ-pau.fr. (2018). [online] Available at: http://cpham.perso.univ- pau.fr/ENSEIGNEMENT/PAU-
UPPA/INGRES-M1/Castalia%20- %20User%20Manual.pdf  [Accessed  7  Dec. 2018].