Jurnal Penelitian Informatika 2015 Page 1

Analisa Performansi Packet Scheduling Downlink

Max-Throughput & Proportional Fair pada Layanan VoLTE

Aaron Panjaitan

Teknik Informatika Universitas Widyatama

Jalan Cikutra No. 204A Bandung 40125 Indonesia Telp. 62.22.7275855 Fax. 62.22.7274010 http://www.widyatama.ac.id

aaron.panjaitan@widyatama.ac.id

ABSTRAK

Jaringan LTE merupakan jaringan telekomunikasi berkecepatan tinggi yang

menggunakan gelombang radio dalam transmisi data kepada user, jumlah gelombang radio yang

dapat digunakan dalam transmisi data bergantung pada jumlah bandwidth yang tersedia.

Terbatasnya jumlah bandwidth yang dapat digunakan mengakibatkan dibutuhkannya algoritma

penjadwalan yang disebut sebagai packet scheduler. Packet scheduler berfungsi menjadwalkan

pengiriman data dengan menggunakan gelombang radio yang ditentukan berdasarkan dari nilai

keputusan yang dihasilkan oleh algoritma packet scheduler yang disebut sebagai nilai metric. Pada

penelitian ini ada dua jenis algoritma packet scheduler yang akan diuji, yaitu Max-Throughput dan

Proportional Fair, keduanya merupakan packet scheduler jenis channel-aware. VoLTE merupakan

layanan suara pada jaringan LTE yang dituntut memiliki nilai standar kualitas layanan suara MOS

(Mean Opinion Score) lebih besar atau sama dengan 3.5. Penelitian ini bertujuan menguji kinerja

packet scheduler Max-Throughput & Proportional Fairdengan membandingkan throughput, packet

loss ratio, delay, MOS, fairness, dan spectral efficiency. Penelitian ini terbatas pada eNB, dan cell

yang berjumlah 1, variasi jumlah user adalah sebanyak 10, 20, 30 hingga 100, kecepatan

pergerakan user adalah 0 km/h, 3 km/h, dan 30 km/h, jenis trafik data yang dilewatkan adalah

VoIP dan trafik data Video disertai CBR sebagai pembanding yang berukuran 32 byte dan 2162

byte. Penelitian ini dilakukan dengan mensimulasikan kinerja packet scheduler menggunakan

software LTE-Sim release 5 yang didukung dengan bahasa C++. Hasil dari penelitian ini adalah

packet scheduler Max-Throughput lebih baik dari packet scheduler Proportional Fair dari

perbandingan throughput dan spectral efficiency, sementara packet scheduler Proportional Fair

lebih baik dari packet scheduler Max-Throughput dari perbandingan packet loss ratio, delay, dan

fairness. Packet scheduler Proportional Fair memenuhi standar kualitas VoLTE, namun packet

scheduler Max-Throughputtidak memenuhi standar kualitas VoLTE.

Kata kunci : Jaringan LTE, packet scheduler, VoLTE, MOS, channel aware packet

scheduler, Max-Throughput, Proportional Fair.

PENDAHULUAN Semakin tingginya pertumbuhan pengguna telepon seluler/smartphone dewasa ini

menyebabkan pertumbuhan pengguna layanan data menjadi semakin tinggi, pertumbuhan ini juga

harus dibarengi dengan infrastruktur jaringan telekomunikasi yang mampu menangani pelayanan

data yang lebih besar. Teknologi jaringan telekomunikasi LTE merupakan penyeimbang terhadap

tingginya kebutuhan akan layanan data ini.

LTE (Long Term Evolution) merupakan evolusi dari teknologi jaringan telekomunikasi

seluler 3G (Third Generation), yang memberikan kualitas layanan data dengan kecepatan

maksimum downlink 100 Mbps, uplink 50 Mbps dengan bandwidth lebih besar, yaitu 1.4 MHz-20

MHz. Kecepatan maksimum tersebut hanya dapat diperoleh semua user apabila dilakukan

optimasi pada proses pembagian bandwidth/radio resource yang jumlahnya terbatas. Proses

pembagian bandwidth ini dilakukan pada bagian E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio

Access Network). E-UTRAN adalah bagian dari jaringan LTE yang berkomunikasi langsung

kepada user menggunakan gelombang radio dan mengatur pendistribusian & manajemen radio

resource.

Terbatasnya jumlah radio resource menyebabkan diperlukannya strategi algoritma dalam

mendistribusikan radio resource ke semua user, agar semua user mendapat kualitas layanan data

Jurnal Penelitian Informatika 2015 Page 2

yang maksimal. Oleh karena itu dibutuhkan algoritma yang dapat membagikan radio resource ke

semua user dengan tepat, yang disebut sebagai packet scheduler. Algoritma yang digunakan pada

setiap packet scheduler memiliki kelebihan dan kekurangannya masing-masing.

Packet scheduler Maximum Throughput adalah jenis packet scheduler yang bertujuan

memaksimalkan nilai throughput dalam cell, mengutamakan pengalokasian radio resource pada

user yang memiliki kualitas sinyal CQI (Channel Quality Indicator) terbaik.acket scheduler

Proportional Fair adalah jenis packet scheduler yang bertujuan memaksimalkan nilai throughput

dalam cell sekaligus memberikan keadilan fairness dalam pembagian throughput pada semua user.

Proportional Fair mengutamakan pengalokasian radio resource kepada user dengan nilai prioritas

tertinggi, nilai prioritas tersebut diperoleh dari penghitungan data rate dan throughput rata-rata

yang diterima flow pada transmisi sebelumnya. Pengujian packet scheduler ini dilakukan melalui

simulator LTE-Sim release 5 dengan mengukur nilai throughput, delay, packet loss ratio, MOS,

fairness, dan spectral efficiency dari layanan suara yang diterima 10 hingga 100 user yang

bergerak dengan kecepatan bervariasi 0 km/h, 3 km/h, 30 km/h.

Selain untuk menguji performansi packet scheduler, penelitian ini juga menguji kualitas

layanan suara pada jaringan LTE. Layanan suara pada jaringan LTE disebut sebagai VoLTE (Voice

over LTE). VoLTE memiliki kendala dalam implementasi pada jaringan telekomunikasi, karena

layanan suara pada jaringan LTE menggunakan sistem yang berbeda dibandingkan layanan suara

pada jaringan pendahulunya 3G, oleh karena itu kualitas performansi VoLTE dituntut harus lebih

baik atau sama dengan kualitas layanan suara yang dihasilkan 3G. Nilai kualitas MOS (Mean

Opinion Score) yang ditentukan untuk layanan VoLTE adalah lebih besar atau sama dengan 3.5.

1. LANDASAN TEORI

1.1. LTE LTE (Long Term Evolution) adalah teknologi jaringan telekomunikasi berkecepatan tinggi

dengan standar yang telah diterapkan oleh 3GPP (Third Generation Partnership Project) sebagai

penerus teknologi jaringan seluler 3G. Menurut Rumney (2008), meskipun belum memenuhi

seluruh standar teknologi 4G (Fourth Generation), namun LTE dipasarkan dengan nama 4G LTE.

LTE menggunakan gelombang radio dalam mentransmisikan data ke user. Jumlah gelombang

radio yang dapat digunakan terbatas oleh jumlah bandwidth yang tersedia, oleh karena itu

dibutuhkan algoritma penjadwalan transmisi data agar bandwidth dapat digunakan dengan optimal

dan user memperoleh layanan dengan kualitas yang maksimal, algoritma tersebut disebut sebagai

packet scheduler.

1.2. VoLTE VoLTE (Voice over LTE) adalah layanan suara yang berjalan pada jaringan LTE. Layanan

suara berbasis IP atau VoIP (Voice over IP) yang berjalan pada jaringan LTE dapat disebut sebagai

VoLTE. Menurut Spirent (2012), meskipun berbeda dari segi teknologi, namun secara konseptual

VoIP yang berjalan pada jaringan LTE dapat disebut sebagai VoLTE. VoLTE memiliki nilai

standar kualitas MOS (Mean Opinion Score) lebih besar atau sama dengan 3.5

1.3. Packet Scheduler Menurut Fu et al. (2013), packet scheduler adalah algoritma yang digunakan untuk

mengalokasikan resource block dalam transmisi data ke user, packet scheduler bertujuan untuk

meningkatkan efisiensi penggunaan bandwidth, memberikan layanan data kepada user (UE)

dengan standar QoS (Quality of Service) dan tingkat keadilan fairness yang maksimal, dengan cara

menentukan proses transmisi data berdasarkan hasil penghitungan algoritma yang disebut sebagai

nilai metric. Resource block merupakan blok-blok bandwidth yang digunakan dalam transmisi

data.

1.3.1 Max-Throughput Maximum Throughput (MT) adalah packet scheduler yang bertujuan memaksimalkan

throughput dalam cell, dengan cara mengalokasikan resource block kepada UE yang dapat

menerima througput tertinggi atau dengan kata lain, UE yang memiliki nilai data rate tertinggi

(Capozzi et al., 2012). Data rate merupakan perkiraan jumlah throughput yang dapat diperoleh

user, dan cell merupakan area yang dapat dilayani oleh eNB.

Jurnal Penelitian Informatika 2015 Page 3

Dimana m adalah nilai metric, i merupakan aliran paket data (flow), k merupakan resource

block, d merupakan data rate, dan t merupakan waktu penghitungan metric. Packet scheduler MT

hanya melayani UE yang memiliki nilai data rate tertinggi, dan dapat mengabaikan UE yang

memiliki nilai data rate yang relatif buruk.

1.3.2 Proportional Fair Proportional Fair (PF) adalah packet scheduler yang bertujuan memaksimalkan throughput

cell sekaligus meningkatkan nilai keadilan fairness. PF menghitung nilai metric berdasarkan

penghitungan nilai data rate dan nilai throughput rata-rata yang diperoleh dari penghitungan

metric terakhir oleh flow yang sama (Capozzi et al., 2012).

Dimana m adalah nilai metric, i merupakan aliran paket data (flow), k merupakan resource

block, d merupakan data rate, r merupakan nilai data rate yang telah diterima, R merupakan

throughput rata-rata yang telah diterima, dan t merupakan waktu penghitungan metric. Packet

scheduler PF lebih mengutamakan pengiriman data kepada UE yang memiliki nilai throughput

rata-rata terendah.

2 ANALISIS

2.1 Analisis Kebutuhan Sistem Pada penelitian ini diperlukan sebuah software yang digunakan untuk menjalankan simulasi

sistem LTE yang akan digunakan untuk mengetahui kinerja packet scheduler. Software yang

digunakan adalah LTE-Sim release 5 yang dijalankan pada sistem operasi Ubuntu 14.04.

2.2 Perancangan

2.2.1 Perancangan Model Simulasi Perancangan model simulasi digunakan untuk menentukan proses berjalannya simulasi.

Perancangan simulasi dimulai dari proses inisialisasi simulasi, yaitu proses instalasi software LTE-

Sim, selanjutnya proses insialisasi komponen-komponen yang akan digunakan pada simulasi

seperti eNB, UE, Gateway, aplikasi trafik data, packet scheduler. Selanjutnya proses konfigurasi

komponen-komponen, diteruskan dengan konfigurasi topologi dan jenis trafik data yang akan

dilewatkan. Selanjutnya simulasi dijalankan dan diperoleh hasil simulasi dalam bentuk trace file

yang selanjutnya akan dianalisis sehingga menghasilkan data dalam bentuk graf.

Gambar 1 Flowchart Perancangan Model Simulasi

Jurnal Penelitian Informatika 2015 Page 4

2.2.2 Perancangan Skenario Simulasi Pada penelitian ini dilakukan simulasi dalam 3 skenario yang dibedakan berdasarkan

kecepatan pergerakan UE yang bergerak dengan kecepatan 0 km/h, 3 km/h, 30 km/h.

Parameter Keterangan

Waktu Simulasi 60 detik

eNB & Cell 1 Jangkauan Cell 500 m2

Bandwidth 5 MHz

RB 25

Cyclic Prefix Short CP

Waktu Scheduling 1 ms

Struktur Frame FDD

Packet Scheduler Max-Throughput (MT), Proportional Fair (PF)

Jumlah UE 10 100 UE

Kecepatan UE 0 km/h, 3 km/h, 30 km/h

Tipe Mobilitas Random Direction (Piro, 2010)

Trafik Data VoIP (32 byte) codec G.729 8.4 kbps Video (2162 byte) H264 128 kbps

Tabel 1. Parameter Skenario Simulasi

2.3 Parameter Analisis Pada penelitian ini, performa packet scheduler dihitung berdasarkan analisis data

berdasarkan parameter berikut:

1. Throughput Throughput adalah jumlah paket data yang sampai ke tujuan per detik.

Dimana x merupakan nilai throughput, i merupakan user, RX merupakan bit data yang

diterima, n merupakan total user, dan t lama waktu simulasi.

2. Packet Loss Ratio Packet Loss Ratio adalah nilai persentasi data yang gagal dikirimkan.

Dimana i merupakan user, n merupakan total user, RX merupakan jumlah flow yang berhasil

dikirimkan, TX merupakan jumlah flow yang dikirimkan.

3. Delay Delay adalah lama waktu yang dibutuhkan dalam proses transmisi data.

Dimana i merupakan user, n merupakan total user, Rt merupakan waktu flow diterima, Tti

merupakan waktu flow dikirimkan.

4. MOS MOS adalah nilai kualitas layanan suara yang diterima user.

Dimana R merupakan nilai faktor yang mempengaruhi kualitas suara (Olariu et al., 2012), dan

MOS adalah nilai kualitas layanan suara.

5. Fairness Fairness adalah nilai keadilan pembagian bandwidth yang diterima user.

Dimana x merupakan nilai throughput, i merupakan user, n merupakan total user.

Jurnal Penelitian Informatika 2015 Page 5

6. Spectral Efficiency Spectral Efficiency adalah nilai efisiensi penggunaan bandwidth.

Dimana x merupakan nilai throughput, i merupakan user, n merupakan total user, dan BW

merupakan jumlah bandwidth.

3 IMPLEMENTASI Implementasi simulasi dilakukan dengan parameter-parameter skenario yang sudah

ditentukan, berikut ini adalah hasil implementasi dari scenario 1, 2, dan 3.

Gambar 2 Tampilan Hasil Simulasi Skenario 1, 2, 3

4. PENUTUP

4.1 Kesimpulan Sesuai dengan tujuan tugas akhir ini, yaitu untuk menguji kinerja packet scheduler downlink

Maximum Throughput & Proportional Fair pada layanan VoLTE, pada dasarnya tujuan telah

tercapai. Dari hasil penelitian dan analisis yang telah dilakukan dapat disimpulkan beberapa hal,

sebagai berikut :

1. LTE-Sim release 5 dapat digunakan untuk mensimulasikan kinerja packet scheduler pada jaringan downlink LTE dengan menggunakan bahasa pemrograman C++ dan dukungan

software Eclipse Luna release 2.

2. Packet scheduler Maximum Throughput memiliki keunggulan sebesar 114% pada parameter throughput dan spectral efficiency.

Jurnal Penelitian Informatika 2015 Page 6

3. Packet Scheduler Proportional Fair memiliki keunggulan sebesar 93% pada parameter fairness, 160% pada parameter packet loss ratio dan 318% pada parameter delay.

4. Penambahan jumlah UE, jenis trafik data yang dilewatkan pada jaringan dan kecepatan & arah pergerakan UE mempengaruhi nilai throughput, packet loss ratio, delay, MOS,

fairness dan spectral efficiency dari masing-masing packet scheduler.

5. Kualitas layanan VoLTE yang dihasilkan packet scheduler Maximum Throughput memenuhi standar ketika user berjumlah 10 hingga 60, namun Proportional Fair

memenuhi standar nilai MOS >= 3.5 ketika user berjumlah 10 hingga 100.

4.2 Saran Saran yang diusulkan untuk pengembangan pengujian selanjutnya adalah menguji dan

menganalisis pengaruh penambahan jumlah UE & cell, serta pengaruh proses handover terhadap

kinerja packet scheduler Maximum Throughput dan Proportional Fair pada layanan VoLTE dengan

skenario yang sama pada penelitian ini.

5. REFERENSI Poikselk a, Miikka., dkk(2012). VOICE OVER LTE VoLTE. Penerbit: John Wiley & Sons, Ltd.

Rumney, Moray.(2008). IMT-Advanced: 4G Wireless Takes Shape in an Olympic Year.

[Online]. Tersedia : www.agilent.com/go/journal. 18 April 2015

Sesia, Stefania., dkk. (2011). LTE From Theory To Practice : Second Edition. Penerbit: John

Wiley & Sons, Ltd.

Cox, Cristopher., dkk. (2012). An Introduction to LTE. Penerbit: John Wiley & Sons, Ltd.

Piro, Giuseppe., dkk(2010). Simulating LTE Cellular Systems: an Open Source Framework.

Italia : Polictenico di Bari

Capozzi, Francesco., dkk.(2012). Downlink Packet Scheduling in LTE CellularNetworks:

Key Design Issues and a Survey. Italia : Polictenico di Bari

Anehill, Michael., dkk. (2012). Validating voice over LTE end-to-end. USA: Ericsson.

Fu, Weihong., dkk.(2013). A QoS-Aware Scheduling Algorithm Based on Service Type for

LTE Downlink. China: Xidian University.

3GPP, Overview of 3GPP Release 8 V0.3.0. (2013). [Online]. Tersedia :

http://www.3gpp.org/. 9 Januari 2014

Chang, Chi-Hao Howard., dkk.(2014). Implementation and Evaluation of a QoS-aware

Downlink Scheduling Algorithm for LTE Networks . Canada : Simon Fraser University

Ahson, Syed A., dkk. (2009). 3GPP LTE Radio and Cellular Technology. Penerbit: Taylor &

Francis Group.

Olariu, Christian., dkk (2011). VoIP Quality Monitoring in LTE Femtocells. Irlandia :

Waterford Institute of Technology.

Jain, Raj (1991). The Art of Computer Systems Performance Analysis. Penerbit: John Wiley

& Sons, Ltd.

Faishal, Iman. (2013) Analisis Kinerja TCP pada Jaringan Mobile Ad-Hoc Menggunakan

Protokol Routing DSR dan AODV. Skripsi, Universitas Widyatama, Bandung.

Software LTE-Sim release 5 : https://lte-sim.googlecode.com

Cisco, Understanding Codecs: Complexity, Hardware Support, MOS, and Negotiation

(2006). [Online]. Tersedia : http://www.cisco.com. 20 Desember 2014

Spirent, VoLTE vs. VoIP: Whats The Difference? (2012). [Online]. Tersedia : Spirent.com. 2 Februari 2015