Chương I LỜI MỞ ĐẦU Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thông tin băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử dụng Trong[.]
Giới thiệu chung về WiMAX
Tổng quan về WiMAX
WiMAX là tên thương mại của chuẩn IEEE 802.16 Ban đầu chuẩn này được tổ chức IEEE đưa ra nhằm giải quyết các vấn đề kết nối cuối cùng trong một mạng không dây đô thị WMAN hoạt động trong tầm nhìn thẳng (Line of Sight) với khoảng cách từ 30 tới 50 km Nó được thiết kế để thực hiện đường trục lưu lượng cho các nhà cung cấp dịch vụ Internet không dây, kết nối các điểm nóng WiFi, các hộ gia đình và các doanh nghiệp….đảm bảo QoS cho các dịch vụ thoại, video, hội nghị truyền hình thời gian thực và các dịch vụ khác với tốc độ hỗ trợ lên tới 280 Mbit/s mỗi trạm gốc Chuẩn IEEE 802.16-2004 hỗ trợ thêm các hoạt động không trong tầm nhìn thẳng tại tần số hoạt động từ 2 tới 11 GHz với các kết nối dạng mesh (lưới) cho cả người dùng cố định và khả chuyển Chuẩn mới nhất IEEE 802.16e, được giới thiệu vào ngày 28/2/2006 bổ sung thêm khả năng hỗ trợ người dùng di động hoạt động trong băng tần từ 2 tới 6 GHz với phạm vi phủ sóng từ 2 - 5 km Chuẩn này đang được hy vọng là sẽ mang lại dịch vụ băng rộng thực sự cho những người dùng thường xuyên di động với các thiết bị như laptop, PDA tích hợp công nghệ WiMAX.
Đặc điểm nổi bật của công nghệ WiMAX
WiMAX đã được tiêu chuẩn hoá ở IEEE 802.16 Hệ thống này là hệ thống đa truy cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau :
- Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km
- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s.
- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS (Line of Sight) và đường truyền bị che khuất NLOS (Non line of sight).
- Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hoá.
- Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống Đường lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM
WiMAX sử dụng các phương pháp điều chế đa mức linh hoạt như BPSK, QPSK tới 256-QAM để tối ưu hiệu suất truyền dữ liệu Hệ thống còn tích hợp các kỹ thuật sửa lỗi dữ liệu hiện đại như mã hóa sửa lỗi Reed-Solomon, kết hợp cùng các phương pháp ngẫu nhiên hoá để nâng cao độ tin cậy của kết nối Ngoài ra, WiMAX hỗ trợ tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8, cho phép điều chỉnh phù hợp với yêu cầu băng thông và chất lượng dịch vụ, đảm bảo tốc độ truyền tải cao và ổn định.
WiMAX có độ rộng băng tần từ 5MHz đến trên 20MHz, được chia thành nhiều băng con để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng Công nghệ OFDMA cho phép nhiều thuê bao truy cập đồng thời trên một hoặc nhiều kênh, giúp đảm bảo khả năng kết nối linh hoạt và hiệu quả, phù hợp với các nhu cầu truyền dữ liệu lớn.
Có thể sử dụng kết hợp cả hai công nghệ TDD (Time Division Duplexing) và FDD (Frequency Division Duplexing) để phân chia truyền dẫn giữa hướng lên (uplink) và hướng xuống (downlink) Việc này giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng, linh hoạt trong phân phối tài nguyên truyền dẫn, đồng thời phù hợp với nhiều ứng dụng và môi trường mạng khác nhau Sử dụng cả hai công nghệ này mang lại lợi ích lớn trong việc nâng cao tốc độ truyền dữ liệu và sự ổn định của kết nối mạng di động.
Hệ thống WiMAX được chia thành 4 lớp con, tương đương với hai lớp dưới của mô hình OSI, giúp tối ưu hóa khả năng truyền dữ liệu Các lớp này được tiêu chuẩn hoá để đảm bảo khả năng giao tiếp hiệu quả với nhiều ứng dụng ở các lớp trên Việc phân chia thành các lớp con giúp hệ thống WiMAX hoạt động linh hoạt, phù hợp với đa dạng nhu cầu truyền thông không dây.
Quá trình phát triển các chuẩn WiMAX
802.16a sử dụng băng tần có bản quyền từ 2 - 11 GHz, là phạm vi phổ biến nhất vì tín hiệu có khả năng vượt qua các chướng ngại vật trên đường truyền Công nghệ này còn thích ứng tốt với việc triển khai mạng Mesh, cho phép các thiết bị cuối có thể liên lạc qua nhiều thiết bị trung gian, từ đó mở rộng vùng phủ sóng của trạm gốc (BS).
Chuẩn 802.16b hoạt động trên băng tần từ 5-6 GHz với mục đích cung cấp dịch vụ chất lượng cao (QoS), đặc biệt ưu tiên truyền tải các ứng dụng video, thoại và truyền thông thời gian thực thông qua các lớp dịch vụ khác nhau (class of service) Sau này, chuẩn 802.16b đã được tích hợp vào chuẩn 802.16a để nâng cao hiệu quả và khả năng mở rộng của mạng WiMAX.
- 802.16c : Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dãi băng tần từ 10- 66GHz với mục đích cải tiến interoperability
- 802.16d : Có một số cải tiển nhỏ so với chuẩn 802.16a Chuẩn này được chuẩn hóa
2004 Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này
IEEE 802.16e, hay còn gọi là WiMAX di động (Mobile WiMAX), nổi bật với khả năng cung cấp dịch vụ di động nhờ vào các giao thức chuyển giao tiên tiến Chuẩn này là một phần mở rộng của IEEE 802.16-2004, sử dụng kỹ thuật đa truy nhập SOFDMA để tối ưu hóa hiệu suất mạng Ngoài ra, 802.16e còn áp dụng công nghệ MIMO và AAS nhằm nâng cao vùng phủ sóng và năng suất mạng Các mã Turbo và LDPC được tích hợp để tăng cường bảo mật và cải thiện hiệu năng của kết nối không dây khi không nhìn thấy rõ (NLOS), đảm bảo dịch vụ ổn định và chất lượng cao cho người dùng di động.
Bảng 1 :So sánh các chuẩn 802.16
Cấu hình Trực xạ Không trực xa
256 sóng mang con QPSK ,16QA
256 sóng mang con, BPSK QPSK ,16QA
OFDM 512/1024/2048 BPSK,QPSK , 16QAM ,64Q AM
Cố định Cố định Cố định Di động
Băng 20, 25 ,28 1.5 tới 20 1.25 tới 1.5 tới 20 thông (MHz) 20
Chuẩn IEEE 802.16
Lớp giao thức trong IEEE 802.16
Chuẩn IEEE 802.16 áp dụng mô hình 7 lớp OSI Mô hình OSI phân chia các chức năng của những giao thức khác nhau thành một loạt các lớp ( layer)
The lowest layers in the OSI model are the Physical layer (Layer 1) and the Data Link layer (Layer 2) IEEE 802 standards further divide the Data Link layer into two sublayers: Logical Link Control (LLC) and Media Access Control (MAC), enhancing network data management and access control.
Hình 2.1: Mô hình OSI bảy lớp cho các ứng dụng Trong WiMAX/802.16 chỉ 2 lớp đầu tiên được định nghĩa
Lớp PHY chịu trách nhiệm tạo liên kết vật lý giữa hai thực thể giao tiếp, đảm bảo truyền dữ liệu qua kết nối vật lý Bên cạnh đó, lớp MAC đảm nhiệm việc thiết lập và duy trì liên kết, quản lý truy cập đa truy nhập và lập lịch truyền dữ liệu để tối ưu hiệu quả mạng.
Chuẩn IEEE 802.16 xác định giao diện không khí (air interface) của hệ thống BWA cố định, hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện (multimedia) Lớp Medium Access Control (MAC) chủ yếu hỗ trợ kiến trúc point-to-multipoint (PMP) với các tùy chọn cấu trúc mạng lưới linh hoạt Lớp MAC được thiết kế để tích hợp nhiều lớp vật lý (PHY) theo chuẩn, trong đó thực tế chỉ có hai lớp PHY được sử dụng trong công nghệ WiMAX, giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn và mở rộng khả năng mạng.
Hình 2.2: Các lớp giao thức của chuẩn BWA 802.16
Trong chuẩn WiMAX/802.16, cấu trúc các lớp giao thức được minh họa rõ ràng, trong đó chuẩn này chỉ định hai lớp thấp nhất là lớp PHY (vật lý) và lớp MAC, đóng vai trò cốt lõi của lớp liên kết dữ liệu Lớp MAC bao gồm ba lớp con chính là CS (Convergence Sublayer), CPS (Common Part Sublayer) và Security Sublayer, giúp tối ưu hóa khả năng truyền dữ liệu và bảo mật trong mạng WiMAX.
WiMAX sử dụng công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), giúp mang lại hiệu suất băng thông cao hơn và tăng thông lượng dữ liệu ngay cả trong điều kiện môi trường kết nối NLOS (không có đường truyền trực tiếp) hoặc đa đường Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, tín hiệu OFDM được chia thành 256 sóng mang, trong khi chuẩn IEEE 802.16e áp dụng phương thức SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access) để tối ưu hoá khả năng truy cập nhiều người dùng Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ phạm vi tần số rộng và đa dạng phương thức điều chế, bao gồm BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM, phù hợp với nhiều điều kiện mạng khác nhau.
Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ cả hai phương thức song công TDD và FDD, phù hợp với các yêu cầu truyền dẫn khác nhau Trong cơ chế TDD, khung đường xuống và đường lên chia sẻ cùng một tần số nhưng tách biệt về mặt thời gian, cho phép linh hoạt trong phân chia thời gian sử dụng băng thông Độ dài khung có thể là 0.5, 1 hoặc 2ms, trong đó phần dành cho đường xuống và đường lên có thể có độ dài khác nhau Phương thức đa truy nhập TDMA được sử dụng cho đường lên, chia băng thông thành các khe thời gian riêng biệt cho từng trạm di động (MS) do trạm gốc (BS) phục vụ Một khung con đường xuống thường bao gồm hai phần chính: phần thông tin điều khiển đầu mối (header) để đồng bộ và ánh xạ các khung và dữ liệu, cùng với ánh xạ đường xuống (DL_MAP) chứa các thông tin về vị trí bắt đầu và đặc tính truyền dẫn của các cụm dữ liệu Trong khi đó, ánh xạ đường lên (UL_MAP) cung cấp các thông tin về băng thông dành cho các trạm di động (SS), đảm bảo hiệu quả và tổ chức tốt quá trình truyền dẫn dữ liệu.
WIMAX sử dụng công nghệ OFDM để truyền dữ liệu qua giao diện vô tuyến, cho phép các thuê bao truy nhập kênh hiệu quả Ngoài OFDM, còn có các công nghệ khác như FDM và CDMA, nhưng OFDM nổi bật với nhiều ưu điểm về tốc độ truyền dữ liệu, tỷ lệ lỗi bit thấp và sử dụng phổ tần hiệu quả hơn Chính nhờ những lợi ích vượt trội này, OFDM đã được IEEE chọn làm công nghệ truyền dẫn chính cho chuẩn IEEE 802.16 trong truyền dẫn vô tuyến băng rộng.
Các kỹ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp (DS-CDMA) theo chuẩn 802.11b dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường do thời gian trễ có thể vượt quá khoảng thời gian của một ký tự, ảnh hưởng đến độ chính xác truyền dữ liệu Trong khi đó, công nghệ OFDM sử dụng kỹ thuật truyền song song nhiều băng tần con để kéo dài thời gian truyền ký tự, giúp giảm tác động của nhiễu đa đường Thêm vào đó, OFDM còn chèn thêm khoảng bảo vệ GI (Guard Interval) nhằm ngăn chặn hiệu quả các xung đột tín hiệu và nâng cao độ tin cậy trong truyền dẫn không dây.
Interval) thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền giữa 2 kí tự nên nhiễu ISI có thể được loại bỏ hoàn toàn
Trong truyền dẫn truyền thông, nhiễu lựa chọn tần số ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu Tuy nhiên, công nghệ OFDM rất linh hoạt trong việc giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng tín hiệu dẫn đường (Pilot) đi cùng dòng tín hiệu chính để khôi phục kênh truyền Ngoài ra, với các kênh tần số suy giảm nghiêm trọng, OFDM còn có thể giảm tỷ lệ lỗi bit bằng cách giảm bớt số bit mã hóa cho mỗi tín hiệu điều chế trên tần số đó, đảm bảo truyền tải dữ liệu hiệu quả hơn.
Hình 2.3: So sánh sóng OFDM với các hình thức truyền thống
Hình 2.3 so sánh giữa hai hình thức điều chế, trong đó phương pháp truyền thống sử dụng một sóng mang đơn với băng thông rộng, còn OFDM chia băng thông rộng thành các băng con giao nhau về mặt trực giao Việc chia băng con giúp giảm tốc độ của mỗi băng con đi N lần, đồng thời kéo dài chu kỳ của sóng mang cũng gấp N lần Điều này làm cho quá trình đồng bộ dễ dàng hơn và giảm thiểu nhiễu đa đường hiệu quả hơn Ngoài ra, phân chia thông tin thành các băng con nhỏ giúp nâng cao khả năng chống nhiễu, vì nhiễu chỉ ảnh hưởng đến các cụm dữ liệu nhỏ hơn, dễ khắc phục hơn.
Trong truyền dẫn dữ liệu, mỗi sóng mang được gán luồng dữ liệu để truyền đi, với biên độ và pha của sóng mang được tính toán dựa trên phương pháp điều chế như QPSK, BPSK hoặc QAM Sau đó, phương pháp IFFT (Inverse Fast Fourier Transform) được sử dụng để chuyển đổi từ miền tần số về miền thời gian, đảm bảo các sóng mang con trực giao hiệu quả Tại bộ nhận, người ta sử dụng biến đổi FFT (Fast Fourier Transform) để thực hiện quá trình ngược lại, từ miền thời gian chuyển về miền tần số, giúp giải mã chính xác tín hiệu truyền dẫn.
Trong truyền dẫn, sự đồng bộ chính là yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng tín hiệu; các sai lệch về tần số, hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha dễ gây ra nhiễu giao thoa tần số ICI, làm phá vỡ sự trực giao giữa các tần số sóng mang và ảnh hưởng xấu đến hệ thống cũng như BER Tuy nhiên, công nghệ OFDM có khả năng giảm thiểu phức tạp của vấn đề đồng bộ nhờ vào việc sử dụng khoảng bảo vệ, nâng cao độ ổn định và hiệu quả của hệ thống truyền dẫn.
Việc sử dụng chuỗi GI trong OFDM cho phép điều chỉnh tần số phù hợp để tối ưu hiệu suất truyền dữ liệu Tuy nhiên, việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng băng tần, do đó cần cân nhắc giữa độ trễ và tốc độ truyền dữ liệu Chuỗi GI giúp giảm nhiễu liên tia và nâng cao chất lượng tín hiệu, nhưng ảnh hưởng đến công suất truyền và dung lượng kênh Vì vậy, lựa chọn chuỗi GI phù hợp là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống OFDM để đạt được sự cân bằng giữa truyền dữ liệu ổn định và hiệu quả sử dụng băng tần.
Hình 2.4: Chèn thêm tuần tố vòng (Cyclic Prefix) [8]
Lý thuyết OFDM yêu cầu thêm một tuần tố vòng (CP) ở đầu ký hiệu để đảm bảo chống chịu nhiễu và giảm thiểu lỗi truyền dữ liệu Bằng cách này, OFDM tăng khả năng chống nhiễu của hệ thống truyền dẫn, mang lại hiệu suất tối ưu Không cần đi sâu vào các chi tiết toán học phức tạp, nhưng quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định và nâng cao hiệu quả của công nghệ OFDM trong truyền thông không dây và mạng viễn thông hiện đại.
Cyclic Prefix (CP) cho phép bộ thu hấp thụ hiệu quả hơn nhiều sự phân bố thời gian trễ do đa đường dẫn (multipath) và duy trì tính trực giao tần số CP bao gồm một khoảng thời gian gọi là Guard Time (GT), còn được ký hiệu là TG, nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các tín hiệu phản xạ và tăng độ tin cậy trong truyền dẫn dữ liệu Tỷ số giữa GT và thời gian symbol thông thường được ký hiệu là G trong các tài liệu WiMAX/802.16, và việc lựa chọn giá trị G phụ thuộc vào mức độ ảnh hưởng của hiệu ứng đa đường trên kênh vô tuyến Nếu kênh vô tuyến có nhiều nhiễu loạn và hiệu ứng đa đường mạnh mẽ, cần thiết phải chọn một giá trị G phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu.
Luồng dịch vụ và các lớp dịch vụ
Service Flow (SF) is a MAC transport service that provides one-way package delivery, either in uplink or downlink direction It is identified by a unique 32-bit SFID (Service Flow Identifier) This mechanism ensures efficient and organized data transfer within the network, optimizing communication channels for both uplink and downlink traffic.
Một Service Flow được mô tả bởi một tập hợp tham số QoS Các tham số QoS bao gồm những chi tiết về cách SS có thể yêu cầu các sự cấp phát băng thông uplink và hành vi mong đợi của bộ lập thời biểu (scheduling) uplink BS Các thuộc tính service flow :
Service Flow ID Một SFID được gán vào mỗi service flow hiện có SFID được sử dụng làm định danh (identifier) cho service flow trong mạng.
CID Việc ánh xạ một CID sang một SFID chỉ hiện hữu khi nối kết có một service flow được thừ nhận hoặc được kích hoạt.
Provisioned QoS ParamSet định nghĩa các tham số QoS dự trữ, dựa trên giả định rằng chúng nằm ngoài phạm vi của chuẩn Chuẩn rõ ràng xác định rằng các tham số này có thể trở thành phần của hệ thống quản lý mạng, giúp tối ưu hóa chất lượng dịch vụ Ví dụ, tên lớp đồng bộ hoặc QoS là một thuộc tính quan trọng của ProvisionedQoSParamSet, góp phần đảm bảo khả năng quản lý và kiểm soát lưu lượng dữ liệu hiệu quả.
Thuộc tính AdmittedQoSParamSet xác định tập hợp các tham số QoS mà BS và có thể là SS sử dụng để quản lý tài nguyên dành riêng Trong đó, nguồn tài nguyên chính cần được dành riêng là băng thông, nhưng cũng bao gồm các tài nguyên dựa trên bộ nhớ hoặc thời gian cần thiết để kích hoạt dòng dữ liệu Các tham số này giúp đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) được duy trì hiệu quả trong mạng.
ActiveQoSParamSet là thuộc tính xác định tập hợp các tham số QoS để đảm bảo dịch vụ thực sự được cung cấp cho service flow Chỉ những service flow đang hoạt động mới có khả năng chuyển tiếp gói dữ liệu, và trạng thái kích hoạt của chúng được quyết định bởi ActiveQoSParamSet Nếu ActiveQoSParamSet rỗng, nghĩa là service flow đó không được kích hoạt, không có dữ liệu nào được chuyển tiếp.
Chức năng Authorization module trong hệ thống BS là phần logic quyết định chấp nhận hoặc từ chối các thay đổi liên quan đến các tham số QoS và bộ phân loại (classifier) được liên kết với service flow Nó xác định một "đường bao" giới hạn các giá trị có thể có của AdmittedQoSParamSet và ActiveQoSParamSet, đảm bảo quản lý hiệu quả các tham số QoS.
Chuẩn định nghĩa 3 loại service flow:
Provisioned service flows Loại service flow này được định biết thông qua việc dự trữ, ví dụ hệ thống quản lý mạng AdmittedQoSParamSet và ActiveQoSParamSet của nó đều rỗng.
Admitted service flow Chuẩn hỗ trợ một mô hình kích hoạt hai giai đoạn thường được sử dụng trong các ứng dụng điện thoai Trong mô hình kích hoạt 2 giai đoạn, các tài nguyên cho một cuộc gọi thường được “chấp nhận” (admitted) và sau đó, một khi sự thương lượng từ đầu này đến đầu kia được hoàn tất, các tài nguyên được “kích hoạt”.
Active service flow Loại service flow này có các tài nguyên được cam kết bởi
BS cho ActiveQoSParamSet của nó ActiveQoSParamSet của nó không rỗng.
Service flows có thể được quản lý (tạo ra, thay đổi, xóa bỏ) bởi một chuỗi những tin nhắn quản lý MAC:
- Dyanamic Service Delete (DSD), and
Chuẩn IEEE 802.16 chỉ rõ 5 lớp dịch vụ:
1 Unsolicited Grant Service (UGS): Dịch vụ UGS được thiết kế để hỗ trợ luồng dữ liệu thời gian thực với những gói dữ liệu có kích thước cố định ( ví dụ VoIP).
Nó cung cấp các phương pháp lập thời biểu nghiêm ngặt để đảm bảo duy trì thông lượng, giảm góc trễ và jitter ở mức cần thiết cho các dịch vụ phân chia theo thời gian Đo lường QoS chủ yếu dựa trên tốc độ lỗi gói tin (PER) và tốc độ dịch vụ, giúp đảm bảo chất lượng truyền dữ liệu hiệu quả.
2 Extended Real-Time Polling Service (ertPS): Lớp ertPS đã được bổ sung bởi điểm sửa đổi 802.16e Chuẩn ấn định ertPS là cơ cấu lập thời biểu dựa vào hiệu suất củca cả UGS và rtPS BS cung cấp các phần cấp phát unicast theo một kiểu không yêu cầu như UGS, do đó tiết kiệm thời gian trễ của một yêu cầu băng thông Tuy nhiên, trong khi các phần cấp phát UGS có kích cỡ cố định, các phần cấp phát ertPS có tính động. ertPS thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực có tốc độ biến đổi với những yêu cầu tốc độ dữ liệu và sự trễ Một ví dụ là Voice over IP không có chức năng khử khoảng lặng.
3 Real-Time Polling Service (rtPS): Dịch vụ rtPS hỗ trợ lưu lượng thời gian thực với kích thước gói tin thay đổi ( ví dụ hội nghị và luồng video MPEG) Nó cũng cung cấp sự bảo đảm thông lượng và góc trễ nhưng với góc trễ có dung sai lớn hơn, làm cho nó thích ứng với những ứng dụng hội nghị video Những gói tin bị trễ không được sử dụng và sẽ bị loại bỏ Phép đo QoS là PER và độ trễ tối đa.
4 Non-Real-Time Polling Service (nrtPS): Dịch vụ nrtPS được thiết kế để hỗ trợ những chuỗi dữ liệu trễ khả dụng với những gói dữ liệu có kích thước thay đổi ( ví dụ FTP) Nó chỉ cung câp sự bảo đảm về thông lượng và do đó được phù hợp với những ứng dụng dữ liệu tới hạn cái mà không phụ thuộc vào độ trễ ( ví dụ e-mail, FTP) Phép đo QoS là PER và tốc độ dự trữ nhỏ nhất.
5 Best Effort (BE): những dịch vụ BE được sử dụng cho những luồng dữ liệu không yêu cầu cấp độ dịch vụ nhỏ nhất và có thể được xử lí trên nền tảng không gian hợp lý Nó không cung cấp tất cả sự bảo đảm cho độ trễ hoặc thông lượng ( ví dụ HTTP) BE thu băng thông dư sau khi băng thông được cấp phát tới kết nối của 3 lớp dịch vụ trước
Kiểu kiến trúc QoS và QoS Scheduling
IEEE 802.16 hỗ trợ đa dạng dịch vụ thông tin liên lạc như dữ liệu, âm thanh, video với yêu cầu QoS khác nhau Lớp MAC đảm nhiệm chức năng và kỹ thuật báo hiệu QoS, giúp điều khiển việc truyền dữ liệu giữa trạm gốc (BS) và trạm khách (SS) Trong chiều xuống (từ BS tới SS), việc truyền dữ liệu đơn giản hơn do BS chỉ có một, truyền liên tục trong khung con downlink khiến lập lịch trình DL dễ dàng hơn so với UL IEEE 802.16 quy định kỹ thuật báo hiệu QoS như BW-Request và UL-MAP, nhưng không định nghĩa kỹ thuật lập lịch UL, ví dụ như bộ quyết định IE trên UL-MAP Mỗi kết nối uplink được ánh xạ tới dịch vụ lập lịch phù hợp, và mỗi dịch vụ này đi kèm với quy tắc trình bày trong bộ lập lịch của BS, chịu trách nhiệm cấp phát dung lượng đường lên và xử lý các yêu cầu request-grant.
Trong bài viết này, chúng tôi trình bày về kỹ thuật SS và BS, bao gồm các quy tắc chi tiết và dịch vụ lập thời biểu nhằm tối ưu hóa quá trình kết nối đường lên đặc biệt Các kỹ thuật này được sử dụng để thương lượng hiệu quả trong giai đoạn thiết lập kết nối, đảm bảo hoạt động mạng ổn định và bền bỉ Việc áp dụng các quy tắc này giúp nâng cao độ chính xác và sự linh hoạt trong quá trình thiết lập kết nối, phù hợp với các yêu cầu của hệ thống mạng hiện đại.
Hình 2.12: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 [5]
Khi một yêu cầu kết nối được chấp thuận, hệ thống tạo ra một dòng dịch vụ với các tham số QoS phù hợp để đảm bảo chất lượng truyền dữ liệu Các dịch vụ lập thời biểu là kỹ thuật xử lý dữ liệu nhằm hỗ trợ bộ lập thời biểu MAC trong việc truyền tải dữ liệu trên kết nối một cách hiệu quả Bộ lập thời biểu chịu trách nhiệm điều phối cả việc lập thời biểu UL và DL, tính toán yêu cầu về thông lượng và thời gian chờ để đảm bảo lưu lượng dữ liệu được xử lý hợp lý Trong đó, bộ lập thời biểu DL quảng bá và điền các burst dựa trên các thông số của khung trong hàng đợi, giúp tối ưu hóa quá trình truyền dữ liệu Quá trình lập thời biểu đường lên sử dụng biểu đồ hỏi vòng và cấp phát phức tạp hơn so với các phương pháp phối hợp truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả và đảm bảo QoS cho dữ liệu.
BS và những SS riêng biệt.
Hình 2.13: Việc lập thời biểu DL và UL của BS [5]
Dịch vụ lập thời biểu UGS thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thực thời, với các gói dữ liệu có kích cỡ cố định phát đều đặn theo thời gian Đây là ví dụ điển hình của truyền tín hiệu điện thoại PCM (Pulse Coded Modulation) như T1/E1 và Voice over IP không có chức năng khử khoảng lặng Trong dịch vụ UGS, PS cung cấp các khoảng cấp phát dữ liệu cố định tại các thời điểm định kỳ, giúp loại bỏ hao phí và giảm thiểu độ trễ trong truyền dữ liệu.
Dịch vụ lập thời biểu rtPS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian thực, gồm các gói dữ liệu có kích thước khả biến được phát ra tại các khoảng thời gian định kỳ Đây là ví dụ điển hình cho việc truyền video MPEG, cho phép BS yêu cầu truyền dữ liệu unicast theo định kỳ đáp ứng nhu cầu thời gian thực Dịch vụ này cũng cho phép SS xác định kích thước phần cấp phát mong muốn, mặc dù đòi hỏi nhiều hao phí yêu cầu hơn UGS nhưng lại hỗ trợ kích thước cấp phát khả biến để tối ưu hiệu suất vận chuyển dữ liệu thời gian thực.
2.3.2.3 nrtPS scheduling nrtPS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu có thể chịu đựng sự trễ, gồm các gói dữ liệu có kích cỡ khả biến mà tốc độ dữ liệu tối thiểu được yêu cầu Chuẩn xét rằng đây là trường hợp ví dụ cho một cuộc truyền FTP Trong dịch vụ lập thời biểu nrtPS, BS cung cấp các cuộc kiểm tra vòng uplink unicast trên cơ sở đều đặn nhằm bảo đảm service flow nhận các cơ hội yêu cầu thậm chí trong khi mạng bị tắc nghẽn Chuẩn nêu rõ BS thường kiểm tra vòng các CID nrtPS trên một khoảng thời gian là một giây trở xuống Ngoài ra,
SS được phép sử dụng các cơ hội yêu cầu tranh chấp, giúp cải thiện hiệu quả truyền dữ liệu trong mạng Ngoài ra, SS còn có khả năng tận dụng các cơ hội yêu cầu unicast để truyền dữ liệu một cách chính xác và đáng tin cậy Việc này góp phần nâng cao hiệu suất mạng và đảm bảo kết nối thông suốt, đáp ứng tốt các yêu cầu của người dùng trong hệ thống truyền thông di động.
Dịch vụ BE thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu mà không yêu cầu đảm bảo dịch vụ tối thiểu, cho phép xử lý dựa trên cơ sở tốt nhất có sẵn SS có thể tận dụng các cơ hội yêu cầu tranh chấp hoặc yêu cầu unicast khi BS gửi dữ liệu, trong khi BS không có trách nhiệm kiểm tra vòng yêu cầu uplink unicast cho các SS BE Điều này dẫn đến thời gian dài có thể trôi qua mà không truyền bất kỳ gói BE nào, đặc biệt khi mạng trong tình trạng tắc nghẽn.
Lớp ertPS đã được bổ sung bởi điểm sửa đổi 802.16e, thiết lập cơ cấu lập thời biểu dựa trên hiệu suất của UGS và rtPS BS cung cấp các phần cấp phát unicast mà không yêu cầu như UGS, giúp giảm thiểu thời gian trễ của yêu cầu băng thông Trong khi các phần cấp phát UGS có kích thước cố định, thì các phần cấp phát ertPS có tính động, phù hợp cho các ứng dụng thời gian thực có tốc độ biến đổi, yêu cầu về tốc độ dữ liệu và độ trễ thấp Một ví dụ điển hình là Voice over IP không có chức năng khử khoảng lặng, đòi hỏi các giải pháp linh hoạt và hiệu quả trong phân phối băng thông.
CHƯƠNG 3 Thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động dựa trên phản tiếp kép
Giới thiệu
Trong những năm gần đây, mạng truy cập không dây băng rộng đã phát triển nhanh chóng nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về dịch vụ băng rộng mọi lúc, mọi nơi, bao gồm hội nghị video, luồng đa phương tiện thời gian thực và IPTV Sự xuất hiện của mạng BWA IEEE 802.16e, còn gọi là WiMAX di động, là một trong những giải pháp tiềm năng nhất cho việc truy cập không dây băng rộng, mang lại tốc độ dữ liệu cao, tính di động vượt trội và phạm vi phủ sóng rộng với chi phí hợp lý.
Dịch vụ băng rộng không dây (WiBro) và WiMAX di động ra đời từ năm 2006 là những dịch vụ thương mại đầu tiên trên thế giới, được triển khai tại Hàn Quốc và Mỹ (sửa dụng SPRINT từ tháng 4-2008) Việc cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng BWA đang đối mặt với nhiều thách thức do sự phát triển nhanh chóng của các dịch vụ thời gian thực và đa phương tiện Giao thức MAC IEEE 802.16 định nghĩa các cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông riêng để hỗ trợ các loại lưu lượng thay đổi, gồm năm sơ đồ dịch vụ: UGS, rtPS, nrtPS, BE, và ertPS UGS phù hợp cho lưu lượng CBR như VoIP, còn rtPS thích hợp cho VBR như video MPEG, trong khi đó, ertPS kết hợp ưu điểm của cả hai nhằm tối ưu hoá sử dụng băng thông và giảm độ trễ UGS tối thiểu hoá độ trễ nhưng có thể lãng phí băng thông, còn rtPS tận dụng hiệu quả băng thông nhưng có chi phí về độ trễ bổ sung; ertPS cung cấp sự cân bằng, điều chỉnh cỡ cấp phát theo nhu cầu mà không yêu cầu tiêu chuẩn hoá thuật toán cụ thể Dù có nhiều đề xuất về khung truyền và thuật toán QoS cho mạng BWA, phần lớn tập trung vào kiến trúc QoS của trạm cơ sở và không nhấn mạnh đến thuật toán yêu cầu băng thông của thiết bị thuê bao.
Trong bài khóa luận này, chúng tôi đề xuất một thuật toán tối ưu băng thông uplink đơn giản nhưng hiệu quả cho kỹ thuật ertPS, nhằm giảm thiểu lãng phí băng thông mà vẫn duy trì chất lượng dịch vụ (QoS) Ý tưởng chủ đạo của thuật toán dựa trên phương pháp gấp đôi (twofold), giúp cân bằng giữa hiệu suất mạng và yêu cầu về QoS của người dùng Thuật toán này hướng tới tối đa hóa hiệu quả sử dụng băng thông uplink trong mạng LTE, đảm bảo hoạt động ổn định và liên tục của dịch vụ.
Để duy trì sự thoả mãn về chất lượng dịch vụ (QoS), chúng ta giới thiệu khái niệm mục tiêu trễ (target delay), nhằm đặt ra giới hạn về độ trễ cho phép trong lớp MAC Trong đó, độ trễ này có thể được điều chỉnh phù hợp bằng cách cắt giảm giá trị đích của chiều dài hàng đợi truyền, đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả và đáp ứng các yêu cầu về thời gian truyền dữ liệu.
Để tối đa hóa hiệu quả sử dụng hệ thống, chúng tôi triển khai kiến trúc phản phản tiếp Một điểm quan trọng là sự khác biệt giữa số lượng lưu lượng tích trữ trong hàng đợi truyền và giá trị đích của nó, cũng như sự không thích ứng giữa thời điểm gói tin đến và tốc độ xử lý dịch vụ.
Thuật toán phản phản tiếp tối ưu hoá việc sử dụng băng thông bằng cách tính toán động lượng băng thông yêu cầu để giảm thiểu lãng phí Nó còn giúp kiểm soát độ trễ và giảm thiểu biến động độ trễ bằng cách điều chỉnh độ trễ dịch vụ lớp MAC quanh mức mong muốn, đảm bảo phản ứng nhanh chóng và ổn định đối với lưu lượng thay đổi và điều kiện mạng biến đổi Phương pháp dựa trên lý thuyết điều khiển cho phép phân tích sự thực thi và độ ổn định của thuật toán, đồng thời đề xuất hướng dẫn thiết kế đơn giản Thực nghiệm mô phỏng bằng MATLAB đã xác nhận rằng thuật toán có khả năng tối thiểu hoá băng thông lãng phí, điều chỉnh độ trễ phù hợp và giảm biến động pha Trong bài luận này, không đề cập đến kỹ thuật yêu cầu băng thông uplink cho lưu lượng VBR, do sơ đồ downlink không yêu cầu quá trình yêu cầu - cấp phát băng thông hoặc điều chỉnh cỡ băng thông cho lưu lượng CBR.
Kiến trúc QoS của IEEE 802.16
3.2.1 Cơ cấu lập lịch (Scheduling framework)
Mạng BWA IEEE 802.16 sử dụng kiến trúc điểm-đa điểm (PMP), trong đó truyền dữ liệu diễn ra giữa một trạm cơ sở (BS) và các trạm thuê bao (SSs), với tất cả các liên lạc đều do BS điều khiển Các kết nối giữa BS và SS có tính chất đơn hướng, gồm kênh xuống (downlink - DL) từ BS tới SS và kênh lên (uplink - UL) từ SS tới BS, mỗi loại đều được định nghĩa rõ ràng dựa trên yêu cầu về QoS như độ trễ và tốc độ truyền dữ liệu Khi thiết lập kết nối, BS thực hiện điều khiển nạp và cấp phát kết nối riêng, sau đó bộ lập lịch trong BS sẽ xử lý các kết nối DL và UL một cách độc lập Các kết nối này cũng được phục vụ trong vùng phân chia của khung ở lớp vật lý, ví dụ như đa truy cập phân chia tần số trực giao (OFDMA) hoặc phân chia theo thời gian (TDMA) Kênh DL là kênh quảng bá, trong khi kênh UL được chia sẻ bởi nhiều SS, dựa trên yêu cầu băng thông của từng SS và bộ lập lịch của BS sẽ cấp phát tài nguyên phù hợp Bộ lập lịch trong BS tạo và phát bản tin MAP (kênh phân phát) bao gồm thông tin cấp phát cho các kết nối DL và UL, trong đó bản tin MAP của UL chỉ rõ thời điểm SS có thể truyền dữ liệu, thời gian có thể thực hiện và kênh phụ nào sẽ được sử dụng.
Phụ thuộc vào loại lập lịch, có vài cách yêu cầu băng thông:
(i) Không có bất cứ yêu cầu từ SS, BS cấp phát băng thông theo chu kỳ,
(ii) SS nhận một cơ hội yêu cầu băng thông theo chu kỳ từ BS, hỏi vòng,
(iii) SS phản đối cơ hội yêu cầu băng thông
3.2.2 Kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông uplink
Tiêu chuẩn của IEEE 802.16-2004 định nghĩa 4 loại lập lịch uplink:
UGS có độ ưu tiên dịch vụ cao nhất, được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng CBR như VoIP, với khả năng ước lượng tiêu đề và độ trễ dựa trên quá trình yêu cầu-cấp phát băng thông Trong khi đó, rtPS phù hợp cho lưu lượng VBR thời gian thực như video MPEG, phản ứng linh hoạt với nhu cầu băng thông và có thêm độ trễ trong quá trình yêu cầu-cấp phát NrtPS được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng VBR không thời gian thực như FTP, đảm bảo băng thông tối thiểu mà không nhạy cảm với độ trễ và cho phép phản đối yêu cầu băng thông không theo chu kỳ.
Trong mạng lưới, BE (Best Effort) đảm bảo lưu lượng truyền dữ liệu mà không yêu cầu QoS đặc thù, phù hợp cho các dịch vụ như email hoặc trình duyệt web Hệ thống BS không cung cấp yêu cầu ưu tiên riêng biệt cho các SSs, và các SS gửi yêu cầu băng thông dựa trên phương thức tranh chấp, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sử dụng mạng mà không cần đảm bảo chất lượng dịch vụ đặc thù.
Ngoài 4 phân loại dich vụ trên, IEEE 802.16e còn giới thiệu thêm các loại dịch vụ khác. ertPS: Cơ bản giống với UGS, ngoại trừ ertPS có thể thay đổi số lượng băng thông cấp phát động dựa trên những đặc tính lưu lượng Khi dò tìm thì băng thông được cấp phát là không đủ để xử lý các gói đúng lúc, SS yêu cầu băng thông bổ sung bằng việc kèm thêm số lượng của nó trên phần header của gói Ngược lại nếu băng thông được cấp phát mà mở rộng, thì SS có thể yêu cầu giảm số lượng băng thông cấp phát Do đó, ertPS phù hợp vói lưu lượng VBR thời gian thực và lưu lượng VoIP với việc triệt hạ được điểm lặng.
Yêu cầu băng thông cho UGS được thực hiện theo phương thức không yêu cầu, trong khi đó, rtPS và nrtPS sử dụng phương thức hỏi vòng và dịch vụ BE chống đối lại cơ hội yêu cầu băng thông Việc cấp phát băng thông cho UGS dựa trên sự dành sẵn, còn rtPS, nrtPS và BE được phân bổ dựa trên nhu cầu Phân loại ertPS thực hiện phương pháp lai ghép trong quá trình yêu cầu và cấp phát băng thông.
Thuật toán yêu cầu băng thông động
Mục tiêu thiết kế của thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động cho ertPS là:
Ước lượng được băng thông yêu cầu đúng lúc và chính xác.
Không lãng phí băng thông và cũng không phải thiếu băng thông.
Để đạt được các mục tiêu quan trọng trong hệ thống, cần tối thiểu hóa vi phạm về độ trễ đòi hỏi Khái niệm mục tiêu trễ và phản phản tiếp đã được đề xuất như những giải pháp hiệu quả để kiểm soát và đảm bảo độ trễ trong quá trình xử lý, góp phần nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
3.3.1.1 Giới thiệu về mục tiêu trễ (target delay)
Mục tiêu trễ đóng vai trò chính trong việc xác định số lượng băng thông phải điều chỉnh Hầu hết các dịch vụ thời gian thực có độ trễ điểm tới điểm đến một mức mà QoS không bị suy giảm, vd 100 ~ 200ms cho dịch vụ VoIP và vài trăm miligiây cho dịch vụ phát luồng (streaming) Bằng cách dùng mục tiêu trễ cho phép này chúng ta có thể đặt một mục tiêu trễ từ MAC tới MAC, Tref (sec) và chuyển nó thành mục tiêu chiều dài Qref(byte), của hàng đợi truyền, theo các giả thiết hợp lý sau đây.
Một kiểm soát cho truy nhập vào được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực để tổng số lượng băng thông yêu cầu của chúng không được qua dung lượng kênh có sẵn trên bình quân.
Bộ lập lịch dùng thuật toán lập lịch ưu tiên nghiêm ngặt để cấp phát băng thông cho các dịch vụ thời gian thực với độ ưu tiên cao.
Một kết nối ertPS được thiết lập thế nào để khoảng thời gian cấp phát băng thông cho nó Ta (sec) bằng khoảng thời gian gói hóa của dịch vụ thời gian thực, luôn ổn định.
Dung lượng backhaul của đường kênh kết nối mạng truy cập không dây tới mạng có dây là đủ lớn để không gây nên bất cứ trễ hàng đợi nào trong BS cho kết nối UL.
Với những giả thiết đó, Qref có thể được biểu diễn theo Tref và Ta như sau:
(byte) nghĩa là cỡ gói trung bình và T0 (sec) thể hiện những độ trễ khác ngoại trừ độ trễ hàng đợi, vd độ trễ xử lý tại lớp MAC và trễ truyền qua kênh không dây Đáng chú ý là Tref không bao gồm độ trễ mã hóa, trễ gói hóa, và trễ bộ đệm tại lớp ứng dụng Ta cho cỡ của hàng đợi truyền là q(t) (byte) và băng thông bổ sung yêu cầu cho q(t) là bq(t)
(byte/sec) Khi q(t) tăng qua Qref, bq(t) cần phải tăng theo để thoả mãn độ trễ yêu cầu. Bây giờ, ta xem xét một vài phương pháp để tính toán bq(t), Ta định nghĩa b là số lượng băng thông cần thiết để truyền một gói mà cỡ của nó là a Hàm nhảy bậc b Hàm tuyến tính c hàm không tuyến tính
Hình 3.1: Một vài hàm để tính toán băng thông bổ sung yêu cầu phụ thuộc vào chiều dài hàng đợi[3].
Như chỉ ra trong hình 3.1a cách thô sơ để điều khiển băng thông yêu cầu là:
Băng thông yêu cầu tăng thêm b nếu q(t) lớn hơn một giá trị ngưỡng tối đa (>Q ref ) và giảm đi b nếu q(t) xuống thấp hơn một giá trị ngưỡng tối thiểu (0) và min
( s(t), thì những gói này bắt đầu được tích tụ Trong trường hợp này, br(t) phải dương để phục vụ tức thời các gói này mà không vi phạm đòi hỏi về độ trễ Mặt khác, nếu a(t)