SIMULASI DAMPAK PARAMETER PROTOKOL MAC TERHADAP UNJUK KERJA DAN KONSUMSI ENERGI JARINGAN SENSOR NIRKABEL

## S. I. Pella
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Nusa Cendana Adi Sucipto, Kupang, 85000, Indonesia s.i.pella@staf.undana.ac.id

## ABSTRACT
In wireless sensor networks (WSNs), the nodes’energy is a limited resource. In general, the main issue in designing the medium access control (MAC) protocols for WSNs is energy conservation in the network since MAC regulates the  communication  module  which  is  the  highest  power  consumption  module  in  a  node.  This  study  aims  to investigate  the  effect  of  MAC  parameters  such  as  the  duty  cycle,  beacon  fraction  and  transmission  power  on network performance (packet delivery rate-PDR) and energy consumption in the network.
Keywords: Duty cycle, beacon fraction, WSNs, Network Performance

## ABSTRAK
Pada jaringan sensor nirkabel ( Wireless Sensor Networks - WSNs), energi pada setiap node adalah sumber daya yang terbatas.    Pada umumnya  protokol medium  access  control (MAC)  untuk  WSNs  didesain  untuk konservasi  energy jaringan karena MAC mengatur modul komunikasi yang merupakan modul dengan konsumsi daya tertinggi dalam sebuah  node.  Penelitian  ini  bertujuan  menginvestigasi  pengaruh  parameter-parameter  MAC  seperti duty  cycle, beacon fraction dan daya transmisi terhadap unjuk kerja jaringan ( paket delivery rate -PDR) dan konsumsi energy dalam jaringan.
Kata Kunci:  Duty cycle, beacon fraction, WSNs, Unjuk Kerja Jaringan

## 1. PENDAHULUAN
Protokol medium access control (MAC) pada jaringan sensor  nirkabel  ( wirelesss  sensor  networks-  WSNs ), umumnya didesain untuk pengoptimalan penggunaan energi  dalam  jaringan.  Pendekatan  utama  yang dilakukan  adalah  menonaktifkan  modul  komunikasi yang  merupakan  modul  pengguna  energi  terbesar dalam sebuh node secara periodic. Mekanisme seperti ini  disebut  mekanisme duty  cycle dan  persentase waktu  node-node  dalam  WSNs  beroperasi  dengan modul  komunikasi  dalam  keadaan  aktif    pada  saat tidak ada data yang dikirimkan disebut duty cycle.
Pada  saat ini  terdapat  beragam  protokol  MAC  untuk pengoptimalan  penggunaan  energy  dalam  WSN. Secara umum protocol-protokol ini dapat
dikelompokan  dalam  kategori  protokol synchronised duty cycle dan protokol asynchronised duty cycle .
Protokol-protokol  yang  tergolong  sebagai  kategori protokol synchronised  duty  cycle ,  seperti  sensor- MAC  (S-MAC)[1,  2],  T-MAC  [3],  DSMAC  [4], SMAC-L  [5],  S-MAC  modification  [6],  berusaha mengsinkronisasikan  periode  aktif  node-node  yang beroperasi dalam daerah transmisi yang sama. Tujuan utamanya memastikan penerima dalam keadaan aktif ketika pengirim mengirimkan RTS untuk paket yang hendak dikirimnya. Protokol – protokol pada kategori ini  biasanya  mempunya  duty  cycle  sekitar  0.1-0.2 atau dalam kata lain ketika node dalam keadaan idle, node akan pengaktifkan modul komunikasinya antara 10-20%  dari  waktu  operasi  jaringan  secara  berkala. Duty  cycle yang  relative  cukup  besar  ini  untuk memastikan  node-node  ini  mempunyai  cukup  waktu
untuk  mengsinkronisasikan  duty  cycle  mereka  dan mendengar  RTS  yang  mungkin  dikirimkan  oleh node-node  lain  dalam  wilayah  transmisi  mereka sebelum  memastikan  untuk  menonaktifkan  modul komunikasinya.
Protokol-protokol  yang  tergolong  dalam  kategori protokol asynchronous duty cycle seperti B-MAC[7], Wise  MAC[8],  SCP[9],  X-MAC  [10],  RI-MAC[11], pada  umumnya  beroperasi  dengan  duty  cycle  yang sangat  rendah  antara  0.01-0.05.  Node-node  pada kategori protokol ini sebagian besar waktunya (95%- 99%) beroperasi dengan modul komunikasi dinonaktifkan. Secara berkala setiap node mengaktifkan  modul  komunikasinya  dan  melakukan polling jaringan  untuk  mengecek  apakah  ada  trafik untuk dirinya. Pada sisi pengirim, sebelum mengirimkan paket, node mengirmkan preamble atau beacon yang  panjangnya  melebihi  periode  polling node-node  di  jaringan,  untuk  memastikan  penerima mengetahui  dan  siap  untuk  menerima  data  yang dikirimkan.
Penelitian  ini  bertujuan  mengevaluasi  dampak penggunaan  nilai  parameter  MAC  ( duty  cycle, beacon  interval dan  daya  transmisi)  yang    berbeda pada  unjuk  kerja  dan  konsumsi  daya  pada  WSNs. Struktur  penulisan  paper  ini  adalah  sebagai  berikut. Bagian dua berisi metodologi penelitian, menjelaskan tentang  perangkat  lunak  simulasi,  lingkungan  dan scenario  simulasi.  Bagian  tiga  berisi  hasil  simulasi dan pembahasan dan bagian empat berisi kesimpulan.

## 2. METODE PENELITIAN

## 2.1. Omnetpp dan Castalia
OMNET++  [12]  adalah  perangkat  lunak    simulasi jaringan  yang  dibangun  menggunakan  bahasa pemrograman C++.  OMNET++  terdiri  dari  beberapa modul protokol jaringan komputer bawan yang dapat digunakan  atau  dimodifikasi  untuk  membangun semua  simulasi.  Pada  dasarnya  setiap  modul  terdiri dari  minimal  sebuah  berkas network  descriptor (NED)  (.ned),  sebuah  berkas program   C++    (*.cpp) dan  sebuah  berkas  header  c++  (*.h).    Berkas  NED ditulis dalam bahasa program NED dan berisi definisi parameter-parameter  yang  digunakan  dalam  modul dan gate yang digunakan untuk bertukar data dengan modul lain. Berkas C++ berisi implementasi program dari  protokol  jaringanSebuah  berkas  konfigurasi (*.ini) dibutuhkan untuk menjalankan sebuah simulai. Berkas  ini  berisi    modul-modul  yang  digunakan dalam  simulasi  untuk  setiap  lapisan  arsitektur jaringan dan nilai parameter modul-modul tersebut
Gambar 1. Modul pada Simulator Castalia
CASTALIA[13]  terdiri  dari  modul-modul  protokol WSNs  dan body  area  network (BANs)  untuk platform  OMNET++  .  Modul-modul  pada  Castalia dikelompokan dalam modul node, modul proses fisik dan  modul  komunikasi  nirkabel  dan  setiap  modul terdiri dari beberapa sub-modul Gambar 1 menunjukan  hubungan    antar  modul  dalam Castalia.Modul  proses  fisik  mendefinisikan  keadaan fisik  lingkungan  yang  akan  dideteksi  oleh  nodes seperti  suhu,  akselerasi,dll.  Modul  komunikasi nirkabel menangani parameter-parmanet kanal nirkabel  pada  simulasi  seperti path  loss dan interferensi.  Modul  komunikasi  pada  modul  node terdiri dari tiga sub modul (radio, MAC dan routing ) dan menangani komunikasi antar node.

## 2.2. Lingkungan Simulasi
Simulasi  dilakukan  pada  daerah    60  x  60  meter dengan  kepadatan  16  node.  Node-node  ditempatkan pada  daerah    simulasi  menggunakan  topologi  Grid, dimana node  ditempatkan  pada  posisi  (x i ,y i ),  dengan jarak  yang  sama  satu  dan  lainnya  pada  daerah simulasi dengan topologi grid NxN
Gambar 2 Topologi Grid
Parameter  radio  komunikasi  yang  digunakan  pada simulasi dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1. Parameter Radio Komunikasi

## 2.3. Skenario Simulasi
Simulasi  dijalankan  untuk  mengukur  dua  faktor penting  unjuk  kerja  jaringan  nirkabel,  (1) Packet Dlivery  Rate  (PDR) dan  (2)    konsumsi  energi  di jaringan. Pada simulasi jaringan, node 0 (lih. Gambar 2)  mengirimkan  sebuah  paket  secara  broadcast  ke jaringan.  Node  lain  yang  menerima  paket  tersebut kemudian melakukan pengiriman ulang ( rebroadcast ) dengan cara sebagai berikut:
(1) Jika node tersebut belum pernah menerima paket tersebut  maka  node  yang  bersangkutan  akan mengirimkan ulang paket yang diterimanya menggunakan metide broadcast.
(2)  Jika  node  sudah  pernah  menerima  paket  yang sama  sebelumnya  node  tersebut  akan  mengacuhkan paket yang diterimanya (tidak melakukan rebroadcast )
Simulasi  dijalankan  untuk  Topologi  Grid  dengan parameter duty  cycle,  beacon  fraction dan  daya transmisi   yang  bervariasi  untuk melihat  unjuk kerja jaringan untuk tiap pasangan parameter MAC
Parameter hasil dari simulasi ini adalah:
(1) Packet Delivery Rate (PDR)
PDR  di  jaringan  dihitung  sebagai  presentasi  node dijaringan  yang  menerima  broadcast paket  dari node 0, dihitung menurut rumus berikut
𝑃𝐷𝑅 = 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑦𝑔 𝑚𝑒𝑛𝑒𝑟𝑖𝑚𝑎 𝑝𝑎𝑘𝑒𝑡 𝑗𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑛𝑜𝑑𝑒 𝑑𝑖 𝑗𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔𝑎𝑛 (1) (2) Konsumsi Energi Jaringan
Konsumsi energy di jaringan dihitung sebagai energy rata-rata  yang  dikonsumsi  oleh  sebuah  node  dalam jaringan.
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 = ∑ 𝐸 𝑖 − 𝐸 0𝑖 𝑛 𝑖=1 𝑛 (2)
Dimana E 0 adalah energi awal sebuah node sebelum simulasi  dimulai  dalam  Joule  dan  E  adalah  energi akhir pada node setelah simulasi.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
3.1. Packet Delivery Rate (PDR)
Pada simulasi ini PDR dapat dihitung dari persentase jumlah  node  yang  berhasil  menerima  paket  yang dikirimkan dengan metode broadcast.
Gambar 3 Pengaruh Duty Cycle dan Beacon Fraction terhadap PDR
Secara  umum    dapat  dilihat  bahwa  beacon  fraction yang bernilai besar memberikan PDR yang lebih baik terutama  pada  jaringan dengan duty cycle yang  kecil ( duty cycle = 0.01 ). Selain itu, pada jaringan dengan beacon  fraction  yang  kecil,  nilai  PDR  menjadi semakin menungkat ketika duty cycle meningkat. Hal ini  disebabkan duty  cycle berbanding  lurus  dengan waktu  aktif  setiap  node.  Ketika  waktu  aktif meningkat  maka  node  mempunyai  peluang  yang lebih  besar  untuk  mendeteksi  adanya  pengiriman paket  yang  didahului  oleh beacon  fraction yang singkat.
Gambar  4  menunjukan  pengaruh  daya  transmit terhadap  PDR.  Daya  transmit  yang  terlalu  kecil (contohnya:  -5dBm)  menyebabkan  rendahnya  PDR karena  lebih  sedikit  node  yang  berada  dalam  dareah transmisi  node  pengirim.  Meningkatkan  daya transmisi  menyebabkan  lebih  banyak  node  yang berada  dalam  daerah  transmisi  node  pengirim
Parameter Nilai Daya Pengiriman 0 dBm, -1 dBm, -5 dBm Sensivitas Penerima -95 dBm Path Loss exponent 2.4 PLd0 55 dBm Konsumsi Energi Penerima 60 mW Kecepatan Data 250 kbps Modulasi PSK Panjang paket 10 B
sehingga  meningkatkan  PDR.  Ketika  daya  transmisi mencapai  daya  optimal,  menigkatkan  daya  tranmisi tidak meningkatkan PDR.
Gambar 4 Pengaruh Daya Transmisi terhadap PDR
Untuk melihat penyebab kegagalan pengiriman paket pada  penggunaan duty  cycle dan  beacon  fraction yang  berbeda  dipetakan  distribusi  pengkategorian paket  yang  diterima  oleh  node-node  dijaringan seperti yang tedapat pada Gambar 5
Gambar 5 Distribusi Kategori Penerimaan Paket
Pada  Gambar  5  dapat  dilihat  bahwa  sebagian  besar kegagalan  pengiriman  paket  disebabkan  oleh  paket dikirimkan pada saat penerima sedang menonaktifkan modul  komunikasinya  ( failed  non  Rx  state –  warna merah  muda)  yang  merupakan  konsekuensi  dari penggunaan  duty  cycle.  Dapat  dilihat  juga  bahwa untuk  setiap  nilai beacon  fraction ,  meningkatkan nilai duty  cycle (persentase  waktu  aktif  node) menyebabkan menurunnya tingkat kegagalan penerimaan paket.

## 3.2. Konsumsi Energi Jaringan
Gambar  6  menunukan  konsumsi  energy  jaringan dalam  Joule(J)  untuk  setiap  nilai duty  cycle dan beacon  fraction .  Seperti  yang  diharapkan  konsumsi energy  jaringan  meningkat  seiring  meningkatnya nilai  beacon  fraction.  Untuk  nilai beacon  fraction yang  kecil  (0.2  dan  0.5),  konsumsi  energi  jaringan juga  meningkat  sejalan  dengan  peningkatan  duty cycle  (waktu  aktif  node  dalam  jaringan).  Terdapat kasus  khusus  pada  nilai duty  cycle 0.01  dan  nilai beacon  fraction 0.8  yang  mempunyai nilai  konsumsi energy tertinggi.hal ini kemungkinan besar disebabkan  oleh  banyaknya  pengulangan  pengiriman beacon pada jaringan duty cycle kecil.
Gambar 6 Pengaruh Parameter duty cycle dan beacon fraction terhadap konsumsi energi jaringan.
Gambar 7 Pengaruh Daya Transmisi terhadap Konsumsi Energi Jaringan
Gambar  7  mendeskripsikan  pengaruh  penggunaan daya  transmisi  yang  berbeda  terhadap  konsumsi energi  jaringan.  Seperti  yang  diharapkan  pada  daya transmisi  rendah  (-5  dBm)  konsumsi  daya  energy juga rendah namun hal  ini  berakibat pada rendahnya PDR (lih. Section PDR). Pada daya transmisi -1 dBm
dan 0 dBm daya konsumsi energy meningkat sejalan dengan meningkatnya beacon fraction .

## 4. KESIMPULAN
Paper  ini  mengevaluasi  pengaruh  penggunaan parameter  MAC  yang  berbeda  terhadap  unjuk  kerja dan  konsumsi  daya  pada  jaringan  sensor  nirkabel. Hasil simulasi menunjukan bahwa pasangan parameter duty  cycle dan beacon  fraction yang berbeda  menghasilkan  unjuk  kerja    jaringan  yang berbed  (diidentifikasikan  dengan  tinggi  rendahnya nilai  PDR).  Secara  umum, beacon  fraction yang sangat  rendah  (0.2)  memberikan  nilai  PDR  yang rendah,  terlebih  apabila  di  pasangkan  dengan duty cycle yang  rendah.  Penggunaan  daya  transmisi  yang relative  rendah  terhadap  jarak  antar  node,  walaupun menguntungkan dari sisi konsumsi energy, menyebabkan  rendahnya  PDR.  Penggunaan  nilai beacon  fraction dan duty  cycle yang  tepat  dan pemilihan  daya  transmisi  yang  tepat  sesuai  jarak antar  node  menghasilkan  PDR  yang  tinggi  dan konsumsi energi yang optimum.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] W.  Ye,  J.  Heidemann,  and  D.  Estrin,  "An energy-efficient  MAC  protocol  for  wireless sensor  networks,"  in INFOCOM  2002.
Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications
Societies.  Proceedings.  IEEE ,  2002,  pp. 1567-1576.
[2] W.  Ye,  J.  Heidemann,  and  D.  Estrin, "Medium  access  control  with  coordinated adaptive  sleeping  for  wireless  sensor networks," Networking, IEEE/ACM Transactions on, vol. 12, pp. 493-506, 2004.
[3] T.  Van  Dam  and  K.  Langendoen,  "An adaptive  energy-efficient  MAC  protocol  for wireless sensor networks," in Proceedings of the 1st international conference on Embedded  networked  sensor  systems ,  2003, pp. 171-180.
[4] P.  Lin,  C.  Qiao,  and  X.  Wang,  "Medium access control with a dynamic duty cycle for sensor networks," in Wireless Communications and Networking
Conference,  2004.  WCNC.  2004  IEEE , 2004, pp. 1534-1539. [5] S.  Ghosh,  P.  Veeraraghavan,  S.  Singh,  and L. Zhang, "Performance of a wireless sensor network  mac  protocol  with  a  global  sleep schedule," International Journal of
Multimedia  and  Ubiquitous  Engineering,
vol. 4, pp. 99-114, 2009.
[6] Y.  Li,  W.  Ye,  and  J.  Heidemann,  "Energy and  latency  control  in low  duty  cycle  MAC protocols," in Wireless Communications and Networking  Conference,  2005  IEEE ,  2005, pp. 676-682.
[7] J. Polastre, J. Hill, and D. Culler, "Versatile low  power  media  access  for  wireless  sensor networks,"  in Proceedings  of  the  2nd international  conference  on  Embedded networked sensor systems , 2004, pp. 95-107.
[8] C.  C.  Enz,  A.  El-Hoiydi,  J.-D.  Decotignie, and V. Peiris, "WiseNET: an ultralow-power wireless sensor network solution,"
Computer, vol. 37, pp. 62-70, 2004.
[9] W.  Ye,  F.  Silva,  and  J.  Heidemann,  "Ultra- low  duty  cycle  MAC  with  scheduled channel  polling,"  in Proceedings  of  the  4th international  conference  on  Embedded networked  sensor  systems ,  2006,  pp.  321- 334.
[10] M. Buettner, G. V. Yee, E. Anderson, and R. Han,  "X-MAC:  a  short  preamble  MAC protocol  for  duty-cycled  wireless  sensor networks,"  in Proceedings  of  the  4th international  conference  on  Embedded networked  sensor  systems ,  2006,  pp.  307- 320.
[11] Y.  Sun,  O.  Gurewitz,  and  D.  B.  Johnson, "RI-MAC: a receiver-initiated asynchronous duty  cycle  MAC  protocol  for  dynamic traffic loads in wireless sensor networks," in Proceedings  of  the  6th  ACM  conference  on Embedded  network  sensor  systems ,  2008, pp. 1-14.
[12] A.  Varga,  "OMNeT  user  manual  version 3.2," ed.
[13] A.  Boulis,  "Castalia  User  Manual," NICTA. Marzo del, 2011.