LỜI MỞ ĐẦU Vài năm trở lại đây công nghệ không dây Wireless LAN WLAN được sử dụng ngày càng nhiều trong đời sống, với những tính nǎng ưu việt của nó đã làm thay đổi đáng kể phương thức t
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX
GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ MẠNG KHÔNG DÂY WIMAX
1.1 Giới thiệu về Wi-Fi và WIMAX
Mạng không dây là hệ thống các thiết bị liên kết với nhau và giao tiếp bằng sóng radio thay vì dùng cáp dẫn truyền Nhờ kết nối không dây, mạng không dây mang lại khả năng xử lý linh động và sự tự do, không bị ràng buộc bởi kết cấu vật lý Vì vậy, mạng không dây đang thực sự thay thế một phần mạng có dây, tối ưu hóa sự linh hoạt và giảm chi phí hạ tầng cho nhiều ứng dụng.
Mạng máy tính không dây hiện nay đang phát triển mạnh mẽ với sự ra đời và nâng cấp của các công nghệ: Wi-Fi, WiMax
Hình 1.1: Các chuẩn công nghệ cho mạng không dây
Wi‑Fi là tập hợp các chuẩn tương thích với mạng không dây nội bộ dựa trên đặc tả IEEE 802.11 Công nghệ này cho phép máy tính hoặc PDA có thể kết nối không dây và truy cập Internet trong phạm vi phủ sóng của điểm truy cập không dây (hotspot) Tốc độ kết nối của các chuẩn Wi‑Fi khác nhau, tiêu biểu là 802.11 (1–2 Mbps), 802.11a (54 Mbps), 802.11b (11 Mbps) và 802.11g (54 Mbps).
WiMAX, short for Worldwide Interoperability for Microwave Access, refers to a wireless broadband access technology built on the IEEE 802.16 standard.
Wi‑Fi hiện đang là công nghệ kết nối không dây được nhắc đến nhiều nhất hiện nay Tuy nhiên, theo nhận định của nhiều chuyên gia, Wi‑Fi chỉ đóng vai trò là công nghệ mở đường cho hàng loạt chuẩn kết nối không dây tiên tiến hơn như WiMAX, 802.16e, 802.11n và Ultrawideband.
Chuẩn IEEE 802.16 đầu tiên được hoàn thành năm 2001 và công bố vào năm
2002 đánh dấu một cuộc cách mạng thực sự trong mạng truy cập không dây Wireless LAN được thiết kế để cung cấp dịch vụ Internet cho các mạng LAN không dây và nâng cao tính linh hoạt truy cập Internet cho các khu vực tập trung đông dân trong phạm vi hẹp Trong khi đó, WiMAX ngoài khả năng phục vụ đô thị còn giải quyết được những thách thức cung cấp Internet cho vùng thưa dân ở khoảng cách xa khi công nghệ xDSL sử dụng dây đồng không thể tiếp cận Giải pháp này giúp thu ngắn khoảng cách giữa những vùng quê xa xôi hẻo lánh và các đô thị hiện đại.
Hình 1.2: Mô hình kết nối mạng WIMAX
WiMAX là bước phát triển tiếp theo từ dịch vụ cung cấp băng thông giữa LAN lên mạng WAN, sử dụng chuẩn 802.16 và có nhiều đặc điểm nổi trội về tốc độ và phạm vi phủ sóng so với chuẩn không dây hiện tại là 802.11 Không giống như 802.11 chỉ phủ sóng trong một khu vực nhỏ, WiMAX có thể phủ sóng lên tới 50 km với tốc độ lên đến 70 Mbps, mang lại truy cập băng rộng không dây cố định cho khu vực rộng WiMAX cung cấp hai phương pháp kết nối cố định: điểm‑điểm (PtP) và điểm‑điểm tới đa điểm (PtMP).
- điểm (Point to Point ) hoặc điểm - đa điểm (Point to multipoint).
Trong mạng WiMAX, mạng vùng đô thị không dây cung cấp truy cập mạng cho các tòa nhà thông qua anten ngoài trời kết nối với trạm phát sóng cơ sở (BS) Do hệ thống có khả năng định hướng phủ sóng trên diện rộng mà không cần phát triển cơ sở hạ tầng đắt đỏ như các kết nối cáp, công nghệ này cho thấy chi phí triển khai thấp và sự truy cập băng rộng được mở rộng khắp nơi Một ăng-ten WiMAX mang lại hiệu quả đầu tư cao khi cung cấp băng thông rộng tới các hộ gia đình trong bán kính lên tới 50 km, loại bỏ hoàn toàn các chi phí liên quan đến việc triển khai các hệ thống dây kết nối Với công nghệ được mở rộng, chuẩn này được phát triển để hỗ trợ người dùng di chuyển liên tục và có nhu cầu kết nối mạng ở nhiều địa điểm khác nhau.
Chuẩn IEEE 802.16 được thiết kế để mở ra một tập hợp các giao diện không gian (air interfaces) dựa trên một giao thức MAC phổ biến, đồng thời các đặc tả của lớp vật lý được điều chỉnh tùy thuộc vào mục đích sử dụng và các điều chỉnh phổ liên quan Chuẩn này mở rộng để hỗ trợ giao diện không gian trên dải tần 10–66 GHz Với phương pháp điều chế đơn sóng mang, chuẩn IEEE 802.16 có thể cung cấp cả hai chế độ truyền song công phân chia theo thời gian (TDD) và phân chia theo tần số (FDD).
Hình 1.3: Mô hình mạng WiMAX
Bạn có thể hình dung cơ chế hoạt động của mạng WiMAX giống như mạng điện thoại di động, với một tổng đài phát sóng và một mạng lưới trạm phát WiMAX phủ sóng đến từng hộ gia đình Phạm vi phủ sóng của mỗi trạm WiMAX lên tới khoảng 50 km, cho phép mở rộng vùng tiếp cận Internet không dây một cách hiệu quả Hình 1.3 mô tả một ví dụ cụ thể về cách các trạm phát và tổng đài liên kết để cung cấp dịch vụ cho người dùng Mô hình này giải thích cách WiMAX cung cấp kết nối Internet tốc độ cao trên khu vực rộng bằng công nghệ không dây.
1.2 Các chuẩn IEEE 802.16 tiêu biểu
Ban đầu chuẩn IEEE 802.16 chỉ có một đặc tả cho lớp MAC Sau một loạt các nghiên cứu, các đặc tính của lớp PHY được mở rộng với nhiều biến thể mới, bao gồm các chỉ định phổ và sự khác biệt giữa dải cấp phép và dải không cấp phép, mang lại giá trị đáng kể cho hệ thống Dưới đây là bản tóm tắt ngắn gọn về các mở rộng PHY khác nhau và các dải tần mà chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ.
Những đặc tả ban đầu của chuẩn IEEE 802.16 xác định lớp MAC và lớp PHY có khả năng cung cấp truy nhập băng rộng cố định (Fixed Wireless Access) theo mô hình điểm - điểm và điểm - đa điểm Chuẩn này được thiết kế mở các giao diện không gian (air interfaces) dựa trên một giao thức MAC thông thường, nhưng các đặc tả lớp vật lý phụ thuộc vào mục đích sử dụng và các điều chỉnh phổ liên quan IEEE 802.16 được mở rộng để hỗ trợ giao diện không gian trên các tần số thuộc băng tần 10–66 GHz Với phương pháp điều chế đơn, chuẩn 802.16 hỗ trợ cả hai phương pháp phân chia thời gian (TDD) và phân chia tần số (FDD).
Khác với chuẩn IEEE 802.11 dùng cơ chế truy nhập cảm ứng và CSMA/CA để tránh xung đột, lớp MAC của IEEE 802.16-2001 áp dụng một mô hình điều khiển truyền dẫn hoàn toàn khác Trong thời gian truyền, phương thức điều chế được BS chỉ định và phát thông tin broadcast tới toàn mạng, dành cho cả đường lên và đường xuống Nhờ việc lập lịch truyền dẫn, vấn đề về các node ảo được loại bỏ; thuê bao chỉ cần nghe tín hiệu từ BS và sau đó từ các node trong phạm vi phủ sóng Thuật toán lập lịch có thể điều chỉnh khi xảy ra quá tải hoặc khi số thuê bao tăng lên đáng kể.
Trạm thuê bao (SS) có thể thương lượng về độ rộng dải tần được cấp phát trong một burst cơ bản, cung cấp một lịch truy nhập mềm dẻo Các phương pháp điều chế được định nghĩa gồm PSK, 16-QAM và 64-QAM có thể thay đổi từ khung này sang khung khác hoặc từ SS này sang SS khác tùy theo tình trạng kết nối Việc thay đổi phương pháp điều chế và phương pháp sửa lỗi FEC theo điều kiện truyền dẫn cho phép mạng thích ứng nhanh với các biến đổi của kênh, như fading do mưa Các tham số truyền dẫn ban đầu được thỏa thuận qua quá trình Initial Ranging, trong đó BS cung cấp năng lượng, phương pháp điều chế và timing feedback được kiểm soát và quản lý theo điều kiện hiện thời của kết nối.
Phương pháp song công cho kênh đường lên và đường xuống được triển khai hoàn toàn theo một trong hai cơ chế TDD (time division duplexing) hoặc FDD (frequency division duplexing) Việc lựa chọn giữa TDD và FDD cho kênh uplink và downlink cho phép tối ưu hóa dung lượng, độ trễ và hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số tùy thuộc vào điều kiện mạng và yêu cầu băng thông Do đó, cấu hình kênh song công sẽ được xác định dựa trên một trong hai phương pháp này để đảm bảo hiệu suất truyền dẫn và sự ổn định liên lạc.
Chuẩn IEEE 802.16-2001 định hình việc tích hợp chặt chẽ các đặc tính chất lượng dịch vụ (QoS) vào lớp vật lý, cho phép cung cấp các mức QoS khác nhau Khả năng hỗ trợ QoS được xây dựng dựa trên khái niệm lưu lượng dịch vụ (service flows) và được xác định một cách rõ ràng bằng một ID lưu lượng dịch vụ duy nhất Các lưu lượng dịch vụ này được mô tả bởi các tham số QoS như thời gian trễ tối đa và jitter cho phép Lưu lượng dịch vụ là đơn hướng và có thể được tạo ra bởi các yếu tố quản lý lưu lượng và cơ chế QoS trong mạng.
KIẾN TRÚC MẠNG WIMAX
IEEE 802.16 được xây dựng theo kiến trúc ngăn xếp, xác định rõ các giao diện giữa các lớp để tối ưu hóa truyền thông mạng không dây Lớp MAC gồm ba lớp con: Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer), Lớp con MAC phần chung (MAC Common Part Sublayer) và Lớp con bảo mật (Privacy Sublayer) Giữa PHY và MAC là một lớp con hội tụ truyền TC (Transmission Convergence Sublayer) Vị trí tương đối của các lớp con MAC và lớp PHY được trình bày trong hình dưới đây.
Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ
Lớp con MAC phần chung MAC (MAC Common Part Sublayer)
Lớp con hội tụ truyền TC (Transmission
Hình 1.4: Vị trí tương đối của các lớp MAC và PHY
Trong các công bố ban đầu của tiêu chuẩn IEEE 802.16, hệ thống được thiết kế hoạt động ở tầm nhìn thẳng LOS và ở băng tần cao từ 10 GHz đến 66 GHz Tuy nhiên, IEEE 802.16a đã sửa đổi thiết kế để phục vụ các hệ thống hoạt động ở dải tần từ 2 GHz đến 11 GHz Sự khác biệt giữa hai băng tần mang ý nghĩa quan trọng là khả năng hỗ trợ liên kết trong điều kiện NLOS và hoạt động ở tần số thấp khi các thiết bị khó thực hiện ở tần số cao Do đó, IEEE 802.16a trở thành một chuẩn mở, mở ra cơ hội cho sự thay đổi lớn ở lớp vật lý và được thể hiện qua khuyến cáo hai phương pháp điều chế ở lớp vật lý.
Sau nhiều lần kiểm tra, tổ chức WiMAX đã chấp nhận hỗ trợ điều chế OFDM với FFT 256 điểm và tiếp tục phát triển các công nghệ liên quan dựa trên quyết định của thị trường Thay vì chọn CDMA, IEEE đã ưu tiên OFDM vì nó có thể hoạt động hiệu quả ở môi trường không có đường nhìn thẳng (NLOS) đồng thời vẫn duy trì hiệu suất phổ ở mức cao trên dải tần có sẵn Trong công nghệ CDMA, thường áp dụng cho di động 2G–3G, băng thông RF cần lớn hơn lưu lượng dữ liệu để xử lý chống nhiễu Tuy nhiên thực tế băng thông không dây không thể đạt tới 11 GHz, và các thí nghiệm cho thấy tốc độ dữ liệu có thể lên tới 70 Mbps khi RF bandwidth khoảng 200 MHz được cấp cho bộ xử lý và thực hiện không cần đường nhìn thẳng.
IEEE 802.16 có kiến trúc điểm - đa điểm, nên về cơ bản BS truyền một tín hiệu TDM với những trạm thuê bao riêng lẻ được định vị những khe thời gian theo chu kỳ
Sự truy nhập theo hướng đường lên cho bởi TDMA Và với thiết kế burst được chọn cho phép cả TDD (Time Division Duplexing- tại đó đường lên và đường xuống dùng chung một kênh nhưng không truyền cùng một lúc) và FDD (Frequency Division
Duplexing là cơ chế mà đường lên và đường xuống được xử lý trên các kênh riêng biệt, giúp tối ưu hoá hiệu suất truyền dữ liệu Việc lựa chọn TDD hay FDD hỗ trợ các burst phù hợp, trong đó điều chế và mã hóa có thể được gán động cho từng burst một với mỗi trạm thuê bao CPE (Customer Premise Equipment).
FEC (Forward Error Correction) có khả năng thay đổi kích thước block và sửa lỗi FEC này được liên kết với một mã nhân chập khối bên trong để truyền dữ liệu tới hạn một cách thông suốt, như các truy nhập điều khiển khung và truy nhập khởi đầu.
Hệ thống sử dụng một khung thời gian có độ dài 0.5, 1 hoặc 2 ms, được chia thành các khe vật lý để cấp phát và nhận biết dải thông thuộc các chuyển tiếp PHY Mỗi khe vật lý được định nghĩa cho 4 ký hiệu QAM (quadrature amplitude modulation).
Trong kế hoạch TDD của PHY, khung con cho đường lên kế tiếp sau khung con của đường xuống và cùng chia sẻ một tần số mang Ngược lại, ở kế hoạch FDD, khung con của đường lên và đường xuống được đồng bộ về thời gian nhưng lại được mang trên các tần số mang riêng biệt.
K hung con của đường xuống
Đoạn điều khiển khung chứa DL-MAP cho đường xuống hiện hành và UL-MAP cho thời gian uplink dự kiến trong tương lai, được theo sau bởi một phần TDM ngay sau đoạn điều khiển khung Dữ liệu đường xuống được truyền tới từng CPE khi áp dụng burst-profile đã thỏa thuận Sau phần TDM là một đoạn TDMA chứa một preamble phụ ở điểm xuất phát của mỗi burst-profile mới, cho phép hỗ trợ tốt hơn cho các CPE bán song công vì các CPE này có thể mất đồng bộ với đường xuống, và preamble TDMA cho phép chúng lấy lại đồng bộ hóa.
Cá c điê m khởi đầu“ burst”
TDM : Time Division Multiplex DIUC : Downlink Interval Usage Code Preamble : Đ oạ n đầu khung
Hình 1.5 : Khung con đường xuống
UL-MAP cấp dải thông cho các CPE cụ thể bằng cách chỉ định vùng cấp phát và gán burst-profile do UIUC (Uplink Interval Usage Code) quy định cho từng CPE trong UL-MAP Burst-profile xác định thời gian và mức độ sử dụng uplink, giúp tối ưu hóa hiệu suất liên kết và quản lý truy cập uplink Nó cũng có thể chứa các định vị cạnh tranh cho truy nhập hệ thống ở giai đoạn ban đầu và có chức năng quảng bá hoặc truyền đa hướng các yêu cầu dải thông Cấu trúc khung của UL-MAP được thể hiện trong hình vẽ.
Truy nhập burst Yêu cầu dải thông Xung đột
Khoảng trống chuyÓn tiÕp SS
Khoảng trống chuyển tiÕp Tx/Rx (TDD)
Cá c khả nă ng duy trì khởi ®Çu (UIUC - 2)
Khoảng dữ liệu SS1 (UIUC-j)
Khoảng dữ liệu SSN (UIU-j)
Cá c khả nă ng xung đột yêu cÇu (UIUC - 1)
Hình 1.6 : Khung con đường lên
Trong lớp vật lý của chuẩn IEEE 802.16, các đặc trưng nổi bật được mang lại bởi các phương pháp điều chế gồm công suất phát lớn trong vùng phát rộng, độ rộng kênh linh hoạt và mềm dẻo, khả năng thích ứng về tốc độ, và tự hiệu chỉnh lỗi; đồng thời nhờ vào các hệ thống anten cao cấp để cải thiện vùng phủ sóng và dung lượng hệ thống Phương pháp lựa chọn tần số DFS giúp giảm nhiễu ở mức tối thiểu có thể, trong khi phương pháp mã hóa theo các khoảng thời gian tăng cường hiệu suất truyền tải trong môi trường pha ổn định và vượt qua tính đa dạng về không gian.
Nói tóm lại với các nét đặc trưng của lớp vật lý nó sẽ có một số lợi ích như sau :
Phương pháp điều chế OFDM với FFT 256 điểm mang lại sự hỗ trợ thiết yếu cho việc xây dựng địa chỉ mạng đa đường trong môi trường LOS ở khu vực Outdoor và NLOS Việc áp dụng FFT 256 điểm giúp giảm ảnh hưởng của multipath, tăng cường hiệu suất truyền dẫn và độ tin cậy của mạng không dây Điều này phù hợp cho hệ thống liên lạc ngoài trời, nâng cao khả năng kết nối ở cả điều kiện LOS và NLOS và cải thiện chất lượng dịch vụ.
Khả năng thích ứng điều chế và phương pháp mã hóa có khả năng tự hiệu chỉnh lỗi trong một cụm RF giúp tăng cường độ mạnh của các kênh RF và đồng thời tối ưu hóa số bit trên giây cho mỗi khối thuê bao Việc kết hợp điều chế linh hoạt với cơ chế sửa lỗi tự động đảm bảo liên kết RF ổn định trước nhiễu và suy hao, đồng thời đẩy nhanh tốc độ truyền dữ liệu Như vậy, hiệu suất mạng RF được nâng cao nhờ tối ưu hóa băng thông và hiệu quả truyền thông cho từng khối thuê bao.
Với việc hỗ trợ truy cập TDD và FDD, việc thay đổi địa chỉ trên phạm vi rộng được quy định tại một điểm duy nhất hoặc tại tất cả các địa điểm được phép Việc quy định tập trung ở một nơi mang lại tính nhất quán, dễ quản lý và triển khai trên toàn hệ thống, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất mạng và khả năng mở rộng khi cần.
THIẾT LẬP&DUY TRÌ ĐỒNG BỘ TRONG MÔ HÌNH MESH 40 1 MÔ HÌNH PMP VÀ MÔ HÌNH MESH
Mô hình mạng Điểm – Đa điểm (PMP)
Cấu trúc điển hình của một mạng PMP FBWA được trình bày ở hình dưới đây:
Hình 2.2: Ví dụ về kiến trúc của một mạng FBWA
Như đã trình bày trong hình, mạng Điểm–Đa điểm FBWA về cơ bản là một hệ thống được khu vực hoá gồm hai thành phần chính: một trạm gốc (Base Station - BS) và thiết bị giao tiếp đầu cuối của khách hàng (Customer Premises Equipment - CPE) Trạm gốc chịu trách nhiệm phát tín hiệu và quản lý liên kết cho toàn vùng phủ sóng, trong khi các thiết bị CPE ở các điểm cuối nhận tín hiệu và truyền dữ liệu ngược lại, tạo thành liên kết hai chiều giữa BS và các đầu cuối Cấu trúc này cho phép phân bổ băng thông hiệu quả và dễ mở rộng bằng cách bổ sung CPE mới mà không cần thay đổi trạm gốc.
Trạm gốc BS gồm một hoặc nhiều thiết bị thu phát vô tuyến chịu trách nhiệm kết nối với nhiều CPE trong vùng phủ sóng Các modem không dây (Radio modems) kết nối tới bộ đa công (Multiplexer), hoạt động như một khóa chuyển đổi, tập hợp lưu lượng từ các sector khác nhau và chuyển tiếp chúng tới bộ định tuyến (Router), nơi cung cấp kết nối IP cho mạng của nhà cung cấp dịch vụ.
Thiết bị giao tiếp đầu cuối khách hàng (CPE) gồm ba thành phần chính là modem, radio và ăng-ten Modem đóng vai trò là giao diện kết nối giữa mạng của khách hàng và mạng FWA của nhà cung cấp dịch vụ Radio chịu trách nhiệm liên kết giữa modem và ăng-ten để truyền tải tín hiệu, trong khi ăng-ten phát sóng và nhận tín hiệu từ hệ thống Ba thành phần này có thể được thiết kế riêng biệt hoặc tích hợp một phần, hoặc thậm chí tích hợp hoàn toàn vào một hoặc hai module nhỏ của thiết bị.
Chất lượng phục vụ của mạng FBWA phụ thuộc nhiều vào vị trí của CPE đến
Trong hệ thống, nếu có vật cản trên đường truyền từ CPE đến BS thì hiệu quả truyền sóng sẽ kém đi rất nhiều Vì vậy, mạng FBWA điểm – đa điểm thường được chia thành hai loại để tối ưu hóa khả năng kết nối và hiệu quả truyền tải tùy theo điều kiện kênh.
Hệ thống nằm trong tầm nhìn thẳng (Line-of-sight LOS), và hệ thống không nằm trong tầm nhìn thẳng (non-line-of-sight NLOS)
Trong ngành công nghiệp, nhiều hệ thống bị cường điệu về khả năng truyền không cần tầm nhìn thẳng (NLOS), và hầu hết các sản phẩm của các nhà sản xuất trên thị trường đều khẳng định có khả năng NLOS Tuy nhiên, giới hạn thực tế của truyền NLOS khác nhau giữa các công nghệ và ứng dụng, và sự khác biệt này được thể hiện rõ trong bảng dưới đây Bảng nêu các yếu tố ảnh hưởng như điều kiện môi trường, tần số, khoảng cách liên kết, độ ổn định tín hiệu và yêu cầu về thiết bị thu phát, giúp người đọc so sánh và đánh giá hiệu suất NLOS một cách khách quan và phù hợp với các mục tiêu sử dụng.
Loại hệ thống Hệ thống LOS Hệ thống NLOS
LOS Gần LOS NLOS ngoài trời NLOS trong nhà Đường đi của sóng radio
Thẳng, không có vật cản trở
Thẳng, có vật cản trở, ví dụ như cây cối
Phản xạ, không có thành phần nhìn thẳng
Phản xạ, không có thành phần nhìn thẳng
Anten CPE Có hướng tính cao, được đặt ben ngoài các toà nhà
Có hướng tính cao, được đặt bên ngoài các toà nhà
Có tính định hướng, được đặt bên ngoài các toà nhà
Thu được tất cả các hướng, tích hợp với CPE, có thể đặt trong nhà
Bảng 2.1: Sự khác nhau của các loại hệ thống LOS và NLOS
Các mạng có khả năng NLOS thường vượt trội LOS ở một số điểm: vùng phủ sóng của các trạm gốc FBWA tốt hơn nên có thể phục vụ nhiều thuê bao hơn và việc cung cấp dịch vụ cho các thuê bao FBWA dễ dàng hơn do mạng có khả năng phủ toàn bộ vùng địa lý nhất định Trong mạng NLOS indoor, CPE dễ cài đặt và có thể do người dùng tự lắp đặt, giúp giảm sự phụ thuộc vào kỹ thuật viên và giảm chi phí dịch vụ Vì CPE được cài đặt trong nhà nên chúng không cần thiết kế để chịu mưa lớn hay nhiệt độ cao, và tính chất vô hướng của anten CPE cho phép di động, giúp khách hàng có thể sử dụng kết nối băng thông rộng ở bất cứ đâu trong phạm vi mạng Tuy nhiên, bán kính phủ sóng của mạng NLOS với CPE indoor nhỏ hơn nhiều so với hệ thống anten định hướng ngoài trời, do đó cần nhiều trạm gốc BS hơn để đảm bảo phủ sóng đầy đủ.
Mô hình Mesh
Hình 2.3: Mô hình kết nối mạng Mesh
Khác biệt chính giữa mô hình PMP và mô hình Mesh là ở cơ chế kết nối: với PMP, kết nối chỉ xuất hiện giữa BS và SS, trong khi với Mesh tín hiệu có thể được chuyển qua các SS khác và thậm chí kết nối trực tiếp giữa các SS Phương thức truyền trong hai mô hình có thể dựa trên cơ chế phân tán hoặc tập trung, và trong thực tế thường kết hợp cả hai để tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Trong mạng Mesh, mỗi hệ thống được xem là một nút mạng Nút điều khiển hệ thống có kết nối trực tiếp đến các thiết bị bên ngoài mạng và được gọi là Mesh BS Tất cả các nút còn lại trong mạng Mesh được gọi là nút Mesh.
Trong mạng Mesh, các khái niệm cơ bản gồm kế cận (neighbor), tập kế cận (neighborhood) và tập kế cận mở rộng (extended neighborhood) Các nút có kết nối trực tiếp với một nút được gọi là kế cận của nút đó; tập kế cận của một nút được xem như một one hop từ nút Tập kế cận mở rộng gồm các kế cận và tất cả các kế cận của các kế cận đó với nút đó.
Trong mô hình phân tán, mọi nút, kể cả Mesh BS, sẽ quảng bá thông tin về cấu hình (tài nguyên, yêu cầu và thông tin dữ liệu) tới tất cả các nút lân cận trong danh sách 2-hop (2-hop neighbor) Các nút đảm bảo rằng thông tin được truyền không gây xung đột với các thông tin cấu hình và điều khiển được truyền đi bởi các nút khác trong tập 2-hop neighbor.
Trong mô hình tập trung cho mạng Mesh, mọi tài nguyên được quản lý bởi Mesh BS Mesh BS tập hợp các yêu cầu tài nguyên từ tất cả các Mesh SS trong mạng, xác định lượng tài nguyên được phân bổ cho mỗi kết nối ở cả đường lên và đường xuống, và truyền các thông tin phân bổ tới tất cả các Mesh SS có liên quan Các bản tin chuẩn hóa không chứa thông tin công việc hiện tại, nhưng mỗi nút sẽ tính toán nhu cầu thực tế bằng một thuật toán đã được định sẵn dựa trên các tham số cấp phát.
Mọi trao đổi dữ liệu diễn ra trên một kết nối được thiết lập giữa hai nút và kết nối này được dùng cho toàn bộ đường truyền giữa hai nút QoS được giám sát từ bên ngoài các kết nối trên một nền tảng dựa trên cơ chế publish/subscribe (bản tin qua lại); không có dịch vụ hoặc tham số QoS nào gắn cố định với một kết nối, mà mỗi bản tin quảng bá xác định các tham số dịch vụ ở phần đầu của bản tin Việc phân loại lưu lượng và điều tiết luồng được thực hiện tại nút bởi giao thức phân loại và hoạt động ở lớp cao hơn Các tham số dịch vụ liên quan đến mỗi bản tin được trao đổi nội dung với nhau thông qua MAC SAP.
Trong một số trường hợp, mô hình MESH có thể mang lại lợi ích đáng kể cho mạng bằng cách tăng lưu lượng truyền dữ liệu toàn mạng, cho phép hai nút truyền dữ liệu trực tiếp hoặc qua các nút trung gian mà không cần thông qua Mesh BS Đồng thời, mô hình này mở rộng vùng phủ sóng của mạng bằng cách cho phép các nút nằm ngoài vùng phủ của Mesh BS vẫn tham gia thông qua các nút khác, tăng khả năng kết nối và độ tin cậy của hệ thống.
CẤU TRÚC KHUNG TRONG MÔ HÌNH MẠNG MESH
Cấu trúc khung dữ liệu trong mô hình mạng MESH được phân thành các khung con mô tả như hình 2.4 dưới đây
Trong mạng mesh, cấu trúc khung gồm khung con điều khiển và khung con dữ liệu Khung con điều khiển đảm nhiệm hai chức năng cơ bản: thiết lập và duy trì liên kết giữa các hệ thống, được gọi là điều khiển mạng (Network Control), và lập kế hoạch cũng như điều phối truyền dữ liệu giữa các hệ thống, được định nghĩa là “điều khiển lập lịch truyền” (Schedule Control) Việc phân chia chức năng này giúp mạng mesh tối ưu hóa quá trình kết nối và truyền dữ liệu giữa các nút.
Các khung chứa khung con điều khiển mạng xuất hiện định kỳ và được xác định bởi một tham số trong bản tin mô tả thông tin mạng, tham số này có thể được thiết lập hoặc thay đổi Chiều dài của khung con điều khiển cố định, phụ thuộc vào độ dài ký hiệu OFDM và được chỉ ra trong tham số MSH-CTRL-LEN MSH-CTRL-LEN là tham số thuộc phần Network Descriptor và được Mesh BS thiết lập.
Hìn h 2.4: Cấu trúc khung mô hình mạng Mesh
Trong khung điều khiển mạng, mỗi khe thời gian tương ứng với 7 ký hiệu OFDM; khe thời gian đầu tiên được dành cho phần nhập mạng (network entry) và các khe thời gian tiếp theo dành cho cấu hình mạng (network configuration).
Chi tiết cấu tạo khung của mạng mesh sẽđược chỉ rõ hơn trong phần bản tin cấu hình (MSH-NCFG-Messages) và bản tin nhập mạng (MSH-NENT-Messages).
THIẾT LẬP VÀ DUY TRÌ SỰ ĐỒNG BỘ TRONG MÔ HÌNH MESH
PHY tr Burst from SS#j
PHY tr Burst from SS#k
Network Control Subframe Data Subframe
PHY tr Burst from SS#j
PHY tr Burst from SS#k
Schedule Control Subframe Data Subframe
Để duy trì sự đồng bộ trong mạng mesh, các nút trao đổi thông tin cấu hình qua bản tin MSH-NCFG (Mesh Network Configuration - Bản tin cấu hình) Bản tin này chứa các thông tin hệ thống và trạng thái của các nút giúp cập nhật và quản trị mạng một cách nhất quán Khi một nút mới tham gia mạng, nó sử dụng bản tin MSH-NENT (Mesh Network Entry) để trao đổi thông tin ban đầu với các nút hiện có và thiết lập kết nối thông qua một nút bảo trợ.
Có nhiều loại bản tin, trong phạm vi luận văn chủ yếu nghiên cứu 2 loại bản tin: MSH-NENT (Net Entry) và MSH-NCFG (NetConfiguration)
Ban đầu nút mới thu thập thông tin bằng cách nghe ngóng từ các nút khác thông qua bản tin MSH-NCFG, từ đó nó xây dựng danh sách các nút bảo trợ có thể giúp hòa mạng Nút mới sẽ chọn một nút bảo trợ trong danh sách và gửi MSH-NENT với các yêu cầu quảng bá chứa thông tin MAC của nút bảo trợ đã chọn; khi nút bảo trợ nhận được bản tin này, nó sẽ kiểm tra MAC để xác định nút mới đang xin tham gia Vì nút mới chưa được cấp phát ID khi chưa hòa mạng nên việc nhận diện tạm thời được thực hiện thông qua MAC Định dạng bản tin MSH-NENT được mô tả ở bảng dưới đây.
Xmt Counter for this Type 3 bits For NetEntryAck, this is the Type being acknowledged reserved 2 bits Shall be set to zero
Xmt Antenna 3 bits reserved 1 bit Shall be set to zero if (Type == 0x2)
MSH-NENT_Request_IE() variable
Bảng 2.2: Định dạng bản tin MSH-NENT
ID của nút bảo trợ tìm thấyđể giúp nút yêu cầu nhập mạng
Bắtđầu từ 8 dBm, các mức tiếp theo thêm 2 dBm (tốiđa là 38 dBm)
Anten logic dùng cho việc truyền bản tin này Nó cho phép cung cấp đến 8 hướng anten
Bản tin MSH-NCFG thiết lập mức kết nối cơ bản giữa các nút trong các mạng Mesh, bất kể chúng thuộc cùng hay khác nhà cung cấp thiết bị Trong mạng Mesh, mọi nút (BS và SS) đều phát bản tin MSH-NCFG, được mô tả bằng các tham số liệt kê trong bảng dưới đây.
Embedded Packet Flag 1 bit 0 = Not present,
NetEntry MAC Address Flag 1 bit 0 = Not present,
Network base channel 4 bits reserved 4 bits Shall be set to zero
Network Control Slot Number in Frame
5 bits if (NetEntry MAC Address Flag)
NetEntry MAC Address 48 bits for (i=0; i< NumBSEntries; ++i) {
MSH-Nbr_Physical_IE() 16 bits Xem bảng 2.4 if (Logical Link Info Present Flag)
Xem bảng 2.5 } if (Embedded Packet Flag)
MSH-NCFG_embedded_data() variable
Bảng 2.3: Định dạng bản tin MSH-NCFG
Trong bản tin, số lượng kế cận được thông báo có thể là một phần của toàn bộ tập kế cận mà nút này biết tới Một nút có thể công bố các tập con kế cận theo thứ tự tuần tự trong quá trình truyền bản tin MSH-NCFG của nó.
Số lượng kế cận Mesh BS được thông báo trong bản tin này
Bắtđầu từ mức 8 dBm, các bước với mức 2 dBm (tối đa là 38 dBm)
Anten logic được dùng cho việc truyền bản tin này Điều này cho phép cung cấp lên tới 8 hướng anten
Trong mạng của nút này, các kênh cơ sở được sử dụng để truyền thông tin điều khiển lập lịch Số lượng kênh logic và kênh vật lý được xác định và sẽ được sử dụng để phát tán các thông tin điều khiển liên quan đến lịch trình hoạt động của hệ thống Việc quản lý và tối ưu hóa danh sách kênh này giúp tăng hiệu quả mạng, giảm độ trễ và đảm bảo sự đồng bộ giữa các nút.
Bộ đếm gói tin MSH-NCFG phát đi từ nút này cho phép các nút kế cận xác định lỗi đường truyền Bộ đếm này được các nút lân cận tham chiếu để đánh giá chất lượng truyền thông và phát hiện sự cố mạng Mỗi khi nút này phát một gói tin MSH-NCFG, bộ đếm được tăng lên một đơn vị, cung cấp dữ liệu tình trạng mạng chính xác cho quá trình chẩn đoán.
Một modulo 2 12 số sẽ được tăng lên 1 cho mọi Frame
Bộ đếm này được dùng để xác định thứ tự ưu tiên giữa các nút khi đồng bộ thời gian Một số nút được ấn định như những bộ giữ thời gian chủ và được đồng bộ với nguồn từ bên ngoài, ví dụ thông qua thiết bị GPS Những nút này được thiết lập giá trị Synchronization Hop Count bằng 0 Các nút trong mạng sẽ đồng bộ về thời gian với các nút có giá trị Synchronization Hop Count thấp hơn; trong trường hợp cùng giá trị Synchronization Hop Count thì sẽ đồng bộ theo nút có Node ID thấp hơn.
XmtHoldoffTime là khoảng thời gian tối thiểu (tính theo khe thời gian) mà một nút phải đợi trước khi có thể tiếp tục gửi một bản tin MSH-NCFG, và thời gian này được xác định dựa trên tham số Xmt Holdoff Exponent để điều chỉnh tần suất phát và giảm thiểu xung đột trên mạng Khi tham số Xmt Holdoff Exponent tăng lên, XmtHoldoffTime cũng tăng theo bậc lũy thừa, buộc nút phải kiên nhẫn hơn trước khi gửi bản tin kế tiếp và từ đó cân bằng lưu lượng mạng Việc tối ưu hóa XmtHoldoffTime cùng với Xmt Holdoff Exponent giúp cải thiện hiệu suất mạng, giảm thiểu độ trễ và nâng cao độ tin cậy của thông điệp MSH-NCFG trong các giao thức nơi các nút chia sẻ kênh truyền Đây là một cơ chế backoff quan trọng để điều tiết luồng dữ liệu và đảm bảo hoạt động ổn định của mạng.
Xmt Holdoff Exponent là một tham số và được xác định trong phần mô tả mạng, có thể thay đổi theo từng nút hoặcđược quy định bởi Mesh BS
Next Xmt Mx: NextXmtTime là khoảng thời gian phù hợp để truyền bản tin MSH-NCFG tiếp theo cho kế cận và được tính toán trong khoảng sau:
2 XmtHoldoffExponent *NextXmtMx < NextXmtTime ≤ 2 XmtHoldoffExponent *(NextXmtMx +1)
Chỉ ra sự hiện diện hoặc sự bảo trợ của nút mới Trường này sẽ được chỉ rõ trong bản tin MSH-NENT
ID của nút Mesh BS được thông báo trên bản tin
Số lượng chặng giữa nút thông báo và nút Mesh BS
Là một trường 4 bit được thông báo trong Network Descriptor
ID của nút kế cậnđược thông báo trong bản tin
Logical Link Info Present 1 bit 0 = Not present,
Logical Link Requested 1 bit 0 = No, 1 = Yes
Logical Link Accepted 1 bit 0 = No, 1 = Yes
Hops to Neighbor 1 bit 0 = 1 hop (Direct Neighbor),
Estimated Propagation Delay 4 bits in às
Nbr Next Xmt Mx 5 bits
Nbr Xmt Holdoff Exponent 3 bits
Nbr burst Profile 4 bit Burst profile Nbr shall use in next transmission to this node
Excess Traffic Demand 1 bit 0 = No, 1 = Yes
Short Preamble Flag 1 bit 0 = Don’t use,
Indicates whether this embedded IE is followed by another one
0 = No, 1 = Yes reserved 3 bits Shall be set to zero
Length 8 bits Length of embedded_IE in bytes, exclusive this header
Embedded_data_IE() variable Type dependent
Bảng 2.6: MSH-NCFG embedded Data
Type: Được xác định như sau
0x2 : Network Entry Open // Mở nhập mạng
0x3 : Network Entry Reject // Từ chối nhập mạng
MSH-NCFG_embedded_data_IE() {
Frame Length Code 4 bits 4 LSB of Frame Duration
MSH-CTRL-LEN 4 bits Control subframe length
Number of DSCH opportunities in schedule control subframee
Num_Burst_Profiles 4 bits Number of burst profile definitions
Number of logical channels A value of 0 indicates the channel information is not carried in this message
MSH-NCFG_Channel_IE() variable
MSH-CNFG_embedded_data_IE() {
Minislot Start 8 bits Schedule start for upper layer network entry
Minislot Range 8 bits Schedule range for upper layer network entry
Frame number 12 bits Frame number this schedule becomes valid
Logical channel for new node to Xmt in above Minislot Range
Schedule validity 12 bits Validity of Schedule in frames
Channel 4 bits Logical Rcv channel for new node
Estimated Propagation Delay 4 bits in às reserved 4 bits Shall be set to zero
Bảng 2.8: Network-Entry-Open-IE
MSH-NCFG_embedded_data_IE() {
Rejection Reason 160 bits ASCII string
0x0: Operator Authentication Value Invalid 0x1: Excess Propagation Delay
MSH-NCFG_embedded_data_IE() {
0x3 Reject reserved 6 bits Shall be set to zero if (Action Code == 0x0 or 0x1)
Nbr Authentication value 32 bits if (Action Code == 0x1 or 0x2)
Link ID 8 bits Link-Identification
Bảng 2.10: Neighbor-Link-Establishment-IE
3.2 Quá trình duy trì sự đồng bộ
Sử dụng MSH-NCFG để thông báo trạng thái các nút lẫn nhau và dùng MSH- NENT để hoà mạng
Bản tin MSH-NENT và MSH-NCFG chỉ được truyền trong phần Control subframes (Xem chi tiết trong phần Frame Structure)
1 Xác định khe truyền cho MSH-NCFG
Tại mỗi thời điểm truyền Xmt time nút sẽ tính khe thời gian để truyền bản tin tiếp theo NEXT Xmt time và sử dụng thuật toán như sau:
- Sắp xếp các neighbor theo Next Xmt time.
- Thiết lập một bảng neighbor mới từ bảng trên bằng cách cộng thêm giá trị
Next Xmt time với Xmt HoldoffTime thu được một giá trị mới gọi là Earliest Subsequent Xmt Time
- Thiết lập TempXmtTime cho nút hiện tại:
TempXmtTime = Xmt Holdoff Time + Xmt Time
Xác định các nút cạnh tranh thích hợp là tập hợp tất cả các nút nằm trong danh sách kế cận có một khoảng Next Xmt Time phù hợp, bao gồm TempXmtTime, hoặc có Earliest Subsequent Xmt Time bằng hoặc nhỏ hơn TempXmtTime Quá trình này giúp lọc ra các nút cạnh tranh tiềm năng dựa trên các tham số Next Xmt Time, TempXmtTime và Earliest Subsequent Xmt Time, từ đó xác định tập hợp các nút cạnh tranh tối ưu cho hệ thống.
An election among competing and internal nodes is carried out using a Mesh Election algorithm that leverages the TempXmtTime parameter and an input set of Node IDs representing all potential contenders The outcome is returned as a Success value by invoking MeshElection with TempXmtTime and MyNodeID.
MeshElection là một thuật toán đầu vào nhận giá trị khe thời gian xét, ID của nút đang xét và ID của tất cả các nút cạnh tranh Thuật toán trộn giá trị khe thời gian với các giá trị Node ID và giá trị lớn nhất thu được sẽ trả về TRUE (Success = TRUE) Theo cơ chế của MeshElection, tại mỗi khe thời gian xét chỉ có một ID duy nhất giành chiến thắng Chi tiết thuật toán MeshElection có thể xem ở phần phụ lục.
+ If (Success = = False) Đặt TempXmtTime = cơ hội truyền
Các quy tắc để xác định các nút cạnh tranh (competing node) thể hiện trên đồ hình:
Nút A: nút hiện tại đang tính toán Xmt time
Nút B: Có xmt time = Next xmt time của nút hiện tại
Nút C: có TempXmtTime của nút hiện tại >= NextXmtTime + HoldoffTime Nút D: thông tin về NextXmtTime của nó bị sai lệch (xảy ra khi NextXmtTime
< Xmt time, nguyên nhân có thể do thông tin chưa được cập nhật)
Hình 2.5: Xác định khoảng thời gian truyền bản tin MSH-NCFG
2 Xác định khe truyền cho MSH-NENT
Trong các khe truyền dành cho việc nhập mạng (NetEntry), những nút mạng mới sẽ truyền các bản tin MSH-NENT sử dụng theo 2 tiến trình sau:
1 Việc khởi tạo gói MSH-NENT với yêu cầu nhập mạng được gửi ngẫu nhiên, mạng sẽ cấp một khe thời gian để nhập mạng theo bản tin MSH- NENT sau khi nút bảo trợ gửi bản tin MSH-NCFG với địa chỉ MAC là 0x000000000000
Khe thời gian xét dành cho NextXmtTime
2 Sau khi nút bảo trợ gửi thông báo địa chỉ MAC của nút mới trong bản tin MSH-NCFG, nút mới có thể gửi bản tin MSH-NENT ngay lập tức khi có cơ hội gửi bản tin MSH-NENT
3.3 Quá trình thiết lập một nút mạng mới (SS)
Khởi tạo nút và các quy trình nhập mạng trong mô hình mạng Mesh khác với mô hình PMP Khi một nút mới tham gia mạng Mesh, nó thực hiện theo các bước sau: tìm kiếm mạng và thiết lập đồng bộ thô với mạng; thu thập các tham số mạng từ bản tin MSH-NCFG; mở kênh bảo trợ; cấp phép nút; thực thi đăng ký; thiết lập kết nối IP; đồng bộ ngày giờ; và truyền các tham số vận hành.
3.3.1 Tìm kiếmmạng và thiết lập đồng bộ thô với mạng
Trong quá trình khởi tạo hoặc sau sự suy giảm tín hiệu, nút sẽ tìm kiếm bản tin MSH-NCFG để đạt được đồng bộ thô với mạng Nhận được bản tin MSH-NCFG, nút sẽ có được thời gian mạng từ trường Timestamp của bản tin và dựa trên đó tiến hành đồng bộ hóa với mạng Nút có thể lưu trữ động các tham số vận hành trước đó và sẽ cố gắng đạt được đồng bộ thô với mạng; nếu chưa đồng bộ được, nó sẽ tiếp tục quét các kênh trong băng tần cho đến khi phát hiện một mạng có hiệu lực.