JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

1

Abstrak—Perkembangan aplikasi Android dewasa ini sangat pesat, aplikasi dikembangkan untuk menyelesaikan permasalahan diberbagai bidang. Saat ini, ada beberapa kategori aplikasi Android yang dikembangkan seperti game, aplikasi media sosial, bahkan aplikasi yang menggantikan komunikasi telepon seperti aplikasi pengirim pesan, komunikasi audio atau video. Aplikasi komunikasi audio merupakan salah satu yang popular. Seringkali kualitas kualitas pengiriman audio menurun seiring dengan penurunan kualitas jaringan, sehingga menyebabkan komunikasi yang tidak nyaman.

Smartphone Android saat ini kebanyakan sudah dilengkapi dengan konektivitas seperti bluetooth dan Wi-Fi. Smartphone Android mulai dari versi 4.0 saat ini juga sudah bisa mendukung koneksi langsung antar peers, dan juga low-level audio API untuk pengaksesan driver suara dari perangkat.

Pada artikel ini mengusulkan solusi permasalahan, dengan memanfaatkan teknologi Android dengan membuat aplikasi audio yang bisa digunakan untuk berkomunikasi dengan menggunakan infrastruktur yang sudah ada maupun dengan menggunakan koneksi langsung antar peers dengan peningkatan kualitas audio berdasarkan kualitas kanal pada jaringan, mengimplementasikan algoritma Join Coding Rate Control (JCRC) yang memaksimalkan troughput dan meminimalkan delay. Pengujian yang dilakukan dengan metode ini, mendapatkan hasil bahwa metode ini mampu menjaga kualitas suara dengan SNR rata-rata 29,48 dB pada 5 perangkat Android dalam satu jaringan Wi-Fi dan 27,8 dB dengan kualitas jaringan yang berbeda-beda. Pengiriman data suara dengan JCRC yang menggunakan data rate yang dinamis dapat mempertahankan delay pengiriman suara dengan rata-rata delay 0,45s.

Kata Kunci—Android, JCRC, komunikasi audio, P2P.

I. PENDAHULUAN ERKEMBANGAN aplikasi Android dewasa ini sangat pesat, aplikasi dikembangkan untuk menyelesaikan permasalahan diberbagai bidang. Perkembangan aplikasi

ini dikarenakan dukungan teknologi Android itu sendiri dan sistem operasi Android merupakan sistem operasi mobile yang open platform, open source dan free. Dukungan inilah yang memungkinkan aplikasi untuk mengeksplorasi bidang–bidang yang sebelumnya belum terjangkau oleh aplikasi lain [1].

Saat ini, ada beberapa kategori aplikasi Android yang dikembangkan seperti game, aplikasi media sosial, bahkan aplikasi yang menggantikan komunikasi telepon seperti aplikasi pengirim pesan, komunikasi audio atau video [2]. Aplikasi komunikasi audio merupakan salah satu aplikasi yang popular. Kebanyakan aplikasi audio digunakan dengan memerlukan adanya jaringan internet, padahal terkadang

seringkali juga ada kondisi dimana jaringan internet tidak dapat digunakan sedangkan komunikasi dibutuhkan. Masalah lain yang sering timbul yaitu kualitas pengiriman audio menurun seiring dengan penurunan kualitas jaringan, sehingga menyebabkan komunikasi menjadi kurang nyaman. Smartphone Android saat ini kebanyakan sudah dilengkapi dengan konektivitas seperti bluetooth dan Wi-Fi. Smartphone Android mulai dari versi 4.0 saat ini juga sudah bisa mendukung koneksi langsung antar peer, dan juga low-level audio API untuk pengaksesan driver suara dari perangkat. Pada artikel ini menawarkan solusi dari masalah komunikasi yang sudah dijelaskan sebelumnya, yaitu dengan memanfaatkan teknologi tersebut dengan membuat aplikasi audio yang bisa digunakan untuk berkomunikasi dengan menggunakan infrastruktur yang sudah ada maupun dengan menggunakan koneksi langsung antar peers dengan peningkatan kualitas audio berdasarkan kualitas kanal pada jaringan, mengimplementasikan algoritma Join Coding Rate Control (JCRC) yang diajukan oleh Konacevic [3] yang memaksimalkan troughput dan meminimalkan delay.

II. TINJAUAN PUSTAKA

A. Audio Coding Tujuan utama dari audio coding [3] adalah untuk

melakukan kompresi berkas audio digital dan menghasilkan berkas dengan kompresi seefisien mungkin atau dengan berkas terkompresi bisa sekecil mungkin dan suara hasil decode atau reconstructed audio bisa kembali seperti semula. Syarat lain untuk kompresi audio yang digunakan sebisa mungkin dengan kompleksitas yang rendah sehingga dapat direalisasikan dengan aplikasi yang mudah, dibuat dan perangkat keras yang ‘sederhana’ dan dengan konsumsi daya yang rendah.

Coding yang dilakukan pada data umumnya meliputi proses kuantisasi dan transformasi. Pada data audio [2], algoritma μ-law digunakan untuk melakukan companding (metode untuk mengurangi kerusakan dari suatu channel dalam suatu batasan range) yang dikombinasikan dengan algoritma lain pada I audio untuk mengurangi ukuran dari signal dan mengurangi perbedaan histogram dengan range yang semakin kecil. Secara umum, untuk menghasilkan sampel hasil dari kuantisasi audio disebut Pulse-Code-Modulation.

Audio merupakan data analog, gelombang yang merambat melalui udara yang mencapai gendang telinga. Perubahan data analog menjadi digital melalui proses sampling dan

RANCANG BANGUN APLIKASI KOMUNIKASI AUDIO PADA JARINGAN NIRKABEL LOKAL BERBASIS ANDROID

MENGGUNAKAN ALGORITMA JOINT CODING RATE CONTROL

Bagus Seta Inba C, Henning Titi Ciptaningtyas, dan Hudan Studiawan Jurusan Teknik Informatika, Fakultas Teknologi Informasi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)

Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail: henning.its@gmail.com

P

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

2

kuantisasi. Sampling selalu dilakukan dengan cara yang sama, yaitu menentukan sampling rate dan menghasilkan satu nilai pada satu waktu sampling.

Dalam satuan ukuran, digitalisasi dilakukan dengan kuantisasi, memilih suatu breakpoints dan melakukan mapping nilai tersebut dalam satu interval kedalam suatu nilai keluaran dalam representasi level. Kumpulan dari batasan interval seringkali disebut dengan decision boundaries dan nilai dari representasi disebut reconstruction levels.

PCM merupakan istilah resmi dari sampling dan kuantisasi. Pulse diartikan sebagai signal digital yang dapat direpresentasikan sebagai pulsa vertikal, ditunjukkan pada Gambar 1. Pada artikel ini, metode sampling suara yang digunakan adalah metode PCM. PCM merupakan metode berbasis perceptual coding principle yang cocok digunakan untuk komunikasi suara, khususnya percakapan.

B. Channel Coding Channel coding merupakan proses yang dijalankan

baik pada sisi transmitter maupun receiver dari komunikasi digital. Channel coding bertujuan untuk menjaga agar informasi yang ditransmisikan memiliki distorsi (bit salah, mean square error distortion) sekecil mungkin pada sisi penerima [4]. Channel coding umumnya dilakukan dengan cara menyisipkan secara selektif bit - bit redundan kedalam stream yang ditansmisikan. Bit-bit tambahan ini nantinya akan digunakan untuk mendeteksi dan mengoreksi bit yang error pada stream yang diterima. Channel coding seringkali disebut juga Forward Error Corection (FEC).

Ada dua tipe dari channel coding [5], yaitu block dan convolutional codes. Block codes merupakan kode-kode yang memoryless yaitu menerima k blok informasi dan menghasilkan n blok informasi. Contoh block codes antara lain kode Hamming, Golay, BCH dan Reed Solomon.

Convolutional codes merupakan channel coding yang banyak digunakan pada sistem komunikasi yang nyata. Convolutional code mengkonversi seluruh stream data ke dalam satu codeword tunggal. Bit dikodekan tergantung tidak hanya pada saat k bit masukan tetapi juga pada bit masukan sebelumnya melalui operasi biner untuk menghasilkan deretan keluaran, oleh karena itu algoritma ini memerlukan suatu

bentuk memori. Dalam prakteknya bentuk memori ini dapat berupa shift register dengan panjang tertentu yang dikenal dengan nama constrain length dan konvolusi yang dilakukan adalah dengan membentuk dua buah adder modulo-2 yang melakukan operasi XOR. Strategi decoding utama untuk convolutional codes didasarkan pada algoritma Viterbi.

C. Convolutional Code Kemampuan mengoreksi kesalahan dari metode ini

dihasilkan berdasarkan nilai data sebelumnya [6]. Setiap bit hasil encoding dihasilkan dengan cara memproses bit-bit masukan dengan bit-bit pada register yang belum dienkode. Gambar 2 menunjukkan bagaimana proses ini berjalan.

Bit–bit informasi Z masuk melalui shift register dengan beberapa titik penentu. Nilai titik titik tersebut digabungkan melalui fungsi boolean XOR, menghasilkan bit-bit simbol keluaran. Koreksi error nantinya bergantung pada bit sebelumnya, yaitu bit-bit saat pembentukan simbol-simbol kode G0 dan G1. Banyaknya bit masukan yang digunakan pada proses encoding ditambah satu merupakan constraint length atau panjangnya deret bit yang digunakan untuk pendeteksian kesalahan. Faktor lain yang memengaruhi koreksi error adalah coding rate, yaitu rasio dari bit masukan dan bit-bit yang ditransmisikan. Pada Gambar 2 dua bit ditransmisikan untuk satu bit masukan sehingga dapat disebut sebagai encoder dengan rate ½. Untuk rate 1/3, akan ada satu lagi XOR yang menghasilkan keluaran bit untuk satu bit masukan.

D. Algoritma Viterbi Data yang terenkode akan didekode melalui analisis dari

transisi kondisi yang mungkin diperoleh dari ketergantungan simbol sekarang terhadap data sebelumnya. Pencarian dengan algoritma ini untuk menemukan deret kondisi (state) yang paling mirip (most-likely), yang merupakan deret hasil dekode. Proses perbaikan bit yang mengalami perubahan dilakukan bersamaan dengan penemuan deret pada state yang ditemukan.

E. Joint Coding Rate Control Algoritma JCRC [3] mengoptimasi transmisi data rate

berdasarkan kualitas kanal, sehingga menjaga data rate sesuai dengan yang diperbolehkan kanal tersebut. Optimasi dilakukan pada source-channel domain akan memberikan data

Gambar 1. Modulasi PCM

Gambar 2. Convolutional Code Rate 1/2

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

3

source rate, channel coding, dan modulation yang tepat. Ide utama algoritma ini adalah meningkatkan quantization noise pada source ketika bandwith kanal menurun, yang akan menyebabkan data rate yang lebih rendah pada source.

Pada Gambar 3 merupakan diagram dari algoritma JCRC.

Algoritma ini dilakukan pada tiap sampel audio. Sebelum dilakukan audio encoding, MCS (Modulation and coding scheme) dipilih berdasarkan CQI (Channel Quality Indicator) harus didapatkan terlebih dahulu. Kemudian MCS tertinggi yang memenuhi ambang batas BER (Bit Error Rate) yang sudah ditentukan sebelumnya (pre-calculated), akan dipilih sesuai data rate.

1) CQI pada Android Wifi CQI merupakan indikator kualitas kanal pada suatu jaringan. Kekuatan sinyal didefinisikan dalam standart IEEE 802.11 sebagai Received Signal Strength Indicator(RSSI). Dimana RSSI merupakan tolok ukur dari kualitas signal. Akan tetapi standart 802.11 tidak menetapkan metode yang spesifik untuk menghitung dan melaporkan kualitas signal ini, vendor menentukannya dengan menggunakan metode yang tidak konsisten. RSSI dalam penggunaannya pada metode JCRC perlu dilakukan mapping atau pemetaan untuk penyesuaian. Pemetaan dilakukan menurut derajat MCS yang sudah ditentukan.

2) Modulation dan Coding Scheme pada Android Ada beberapa skema modulasi dan channel coding (MCS) yang bisa dipilih pada skenario JCRC sesuai dengan data rate. Implementasi MCS dan data rate ditunjukkan pada Tabel 1.

Pada teknologi android atau lebih luasnya mobile hanya mendukung modulasi frekuensi, sehingga modulasi amplitudo pada MCS pada algoritma JCRC tidak dapat digunakan. Data rate yang dipilih pada MCS adalah data rate yang didukung pada audio coding, yaitu dalam rentang antara 5,95 s/d 24,6 kbps. Coding rate ½ ditentukan untuk implementasi convolutional code.

F. Pengukuran Kualitas Suara Kualitas suara dapat dihitung dengan menggunakan

PSNR [3] (Peak Signal to Noise Ratio) dan SNR (Signal to Noise Ratio) pada (1),(2), (3).

𝑃 = ∑ �𝑥(𝑛)−𝑟(𝑛)�2𝑁𝑛=0

𝑁 (1)

𝑃𝑆𝑁𝑅 = 10 log �2𝑏−1

𝑃� [𝑑𝐵] (2)

𝑆𝑁𝑅 = 10 log �∑ 𝑟(𝑛)2𝑁𝑛=1

𝑃� [𝑑𝐵] (3)

Dimana r adalah referent signal atau audio pada pengirim, x adalah signal under test atau audio pada penerima, N adalah ukuran frame pada sampel dan b adalah jumlah bit-bit per sampel. Semakin besar SNR dan PSNR yang dihasilkan dapat diartikan banyaknya noise pada suara minimal. Metode pengukuran ini akan digunakan ketika uji coba aplikasi.

III. DESAIN DAN PERANCANGAN

A. Arsitektur Umum Sistem Rancangan arsitektur dari sistem yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 4. Pada arsitektur umum ini dijelaskan suatu proses komunikasi antara pengguna dari aplikasi ini melalui jaringan Wi-Fi. Pengguna memilih berkomunikasi dengan pengguna lain menggunakan alamat IP pengguna lain tersebut. Alamat IP ini dapat dikategorikan menjadi 3, yaitu: alamat unicast, multicast, dan broadcast. Nantinya pengguna akan menggunakan mekanisme push-to-talk untuk berkomunikasi, yaitu pengguna harus menekan tombol tertentu untuk berbicara, seperti mekanisme pada sebuah perangkat yang disebut walkie-talkie.

B. Perancangan Pengiriman Data Pada sumber pengiriman suara, sistem akan menerima

masukan berupa record suara dari perekaman pada saat melakukan percakapan menggunakan aplikasi ini dan

Gambar 3. Diagram Algoritma JCRC

Tabel 1. MCS Coding Rate dan Data Rate

MCS Coding Rate Data Rate [kbps]

1 ½ 5,95 2 ½ 8,00 3 ½ 11,0 4 ½ 15,0 5 ½ 18,2 6 ½ 24,6

JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2014) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)

4

dikonversi ke data digital. Kemudian suara tersebut akan dienkode menggunakan Speex encoder. Data kemudian diproses menggunakan channel encoding yaitu convolutional coding sesuai dengan MCS yang ditentukan berdasarkan CQI dari kanal jaringan dan juga dilakukan modulasi.

Pada tujuan pengiriman suara, sistem akan menerima data, kemudian dilakukan demodulasi pada data tersebut. Selanjutnya dilakukan channel decoding pada data menggunakan algoritma virtebi. Lalu, audio decoding akan dilakukan menggunakan Speex decoder menghasilkan keluaran suara yang akan dimainkan.

IV. KESIMPULAN/RINGKASAN Pengamatan yang telah dilakukan dari tahap perancangan,

kemudian implementasi, hingga uji coba perangkat lunak, dapat ditarik kesimpulan bahwa metode pada artikel ini berhasil menjaga kualitas suara dengan SNR rata-rata 29,48 dB pada 5 perangkat Android dalam satu jaringan Wi-Fi dan 27,8 dB dengan kualitas jaringan yang berbeda-beda. Pengiriman data suara dengan menggunakan mekanisme JCRC yang menggunakan data rate yang dinamis dapat mempertahankan delay pengiriman suara dengan rata-rata delay 0,45s.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Nazruddin H Safaat, Android: Pemrograman Aplikasi Mobile Smartphone dan Tablet PC Berbasis Android. Bandung: INFORMATIKA, 2012.

[2] Ze-Nian Li and Mark S. Drew, Fundamentals of Multimedia. Canada, United States: Pearson Prentice Hall, 2004.

[3] J. Kovacevic, D. Samardjiza, and M. Tamerinac, "Joint Coding Rate Control for Audio Streaming in Short Wireless Networks," IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 55, no. 2, pp. 486-491, May 2009.

[4] T. Richardson and R. Urbanke, Modern Coding Theory.: Cambridge University Press, 2007.

[5] Fu-Hua Huang, "Evaluation of Soft Output Decoding for Turbo Codes," Viriginia Polytechnic Institute and State University, Virginia, Master's Thesis 1997.

[6] Henry Hendrix, "Virtebi Decoding Techniques for the TMS320C55x DSP Generation," Texas Instruments, Application Report SPRA776A, 2009.

[7] Román Belda, Pau Arce, Ismail de Fez, Francisco Fraile, and Juan Carlos Guerri, "Android real-time audio communications over local," Waves, 2012.

[8] David Austerberry, The Technology of Video and Audio Streaming, 2nd ed.: Focal Press Elsevier, 2005.

[9] Fred Halsall, Data Communication, Computer Network, and Open System, 4th ed.: Addison-Wesley, Halsall.

Gambar 4. Arsitektur umum sistem

Gambar 5. Rancangan umum pengiriman data