Chương 2 Các Giao Thức Đa Truy Nhâp Giáo Trình Đa Truy Nhập Vô Tuyến.pdf

C¸c gia thøc ®a th©m nhËp TS Nguyễn Phạm Anh Dũng 39 Chương 2 CÁC GIAO THỨC ĐA TRUY NHÂP 2 1 GIỚI THIỆU CHUNG 2 1 1 Các chủ đề được trình bầy trong chương  Yêu cầu và phân loại các giao thức đa truy[.]

Chương 2 CÁC GIAO THỨC ĐA TRUY NHÂP 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG

2.1.1 Các chủ đề được trình bầy trong chương

 Yêu cầu và phân loại các giao thức đa truy nhập

 Các giao thức không va chạm

 Các giao thức va chạm

 Các giao thức đa truy nhập trong CDMA

2.1.2 Hướng dẫn

 Học kỹ các tư liệu được trình bầy trong chương này

 Tham khảo thêm [2]

 Trả lời các câu hỏi và bài tập cuối chương

2.1.3 Mục đích chương

 Hiểu được tổng quan các các giao thức đa truy nhập áp dụng trong thông tin di động và thông tin vô tuyến

 Hiểu cách chia sẻ hiệu quả tài nguyên vô tuyến trong các hẹ thống thông tin

di động và vô tuyến khi sử dụng các giao thức đa truy nhập

2.2 MỞ ĐẦU

Khi nhiều người sử dụng đồng thời truy nhập vào cùng một tài nguyên vô tuyến, cần có một giao thức đa truy nhập để tránh sự xung đột giưã các người sử dụng khi cùng tranh chấp một tài nguyên vô tuyến Tất nhiên có thể tránh được sự xung đột này bằng cách chia sẻ cho mỗi người sử dụng một tài nguyên vô tuyến cố định, nhưng phương pháp này sẽ dẫn đến lãng phí tài nguyên vô tuyến Các giao thức đa truy nhập được khảo sát ở chương này là các giao thức được sử dụng ở các hệ thống thông tin, trong đó tài nguyên được chia sẻ là kênh thông tin Ở thông tin vô tuyến điều này rất cần thiết vì sự khan hiếm của tài nguyên vô tuyến

2.3 YÊU CẦU ĐỐI VỚI GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP

Việc thiết kế một giao thức đa truy nhập thường được thực hiện cho một mục đích đặc thù (môi trường) và các yêu cầu thiết kế phải chủ yếu được xác định từ mục tiêu thiết kế này Dưới đây là một số yêu cầu đối với các giao thức đa truy nhập

 Nhiệm vụ trước tiên nhất của giao thức đa truy nhập là chia sẻ kênh truyền dẫn chung giữa các người sử dụng trong hệ thống Để làm được điều này ngừơi sử dụng yêu cầu kênh cần theo đúng quy tắc quy định, giao thức phải thực hiện điều khiển việc phân bổ dung lượng kênh cho các người sử dụng

 Giao thức phải thực hiện việc phân bổ môi trường truyền dẫn một cách có hiệu quả nhất Tính hiệu quả thường được đánh giá bằng thông lượng và trễ truyền dẫn

 Phân bổ phải thực hiện công bằng cho các người sử dụng khác nhau, nghĩa là không phụ thuộc vào từng tính chất của người sử dụng, mỗi ngừơi sử dụng phải được nhận cùng một lưu lượng (tính trung bình) phân bổ như nhau trên cở sở quy định của mạng

 Giao thức phải linh hoạt để cho phép các kiểu lưu lượng khác nhau (chẳng hạn thoại và số liệu)

 Giao thức phải ổn định Nghĩa là nếu hệ thống cân bằng, thì mọi sự tăng của tải phải đưa hệ thống vào trạng thái cân bằng mới

 Giao thức phải bền vững đối với sự cố của thiết bị và sự thay đổi điều kiện Nếu một người sử dụng khai thác không đúng, thì sự khai thác sai này phải ảnh hưởng

ít nhất đến các người sử dụng còn lại của hệ thống

Ở môi trường vô tuyến giao thức phải xử lý được các vấn đề:

 Vấn đề của thiết bị bị che khuất chẳng hạn hai đầu cuối nằm ngoài tầm phủ (che khuất) với nhau bởi đồ núi, toà nhà hay một vật chắn nào đó

 Vấn đề gần-xa (truyền dẫn của người sử dụng ở xa bị suy hao hoặc đến trễ hơn truyền đẫn của người ở gần)

 Ảnh hưởng của phađinh và che tối trong các kênh vô tuyến

 Ảnh hửơng của nhiễu đồng kênh ở các hệ thống vô tuyến tổ ong gây ra do việc sử dụng cùng băng tần ở các ô khác nhau

2.4 PHÂN LOẠI CÁC GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP

Cùng với giao thức ALOHA xuất hiện vào năm 1970 cho đến nay đã có nhiều giao thức đa truy nhập được nghiên cứu phát triển Hình 2.1 phân loại các giao thức này vào ba nhóm chính: các giao thức không va chạm, các giao thức va chạm và các giao thức CDMA

Các giao thức đa truy

ALOHA s-ALOHA

ẩn tàng Tờng minh

Không va chạm (lập biểu)

Va chạm (Truy nhập ngẫu nhiên)

ấn định cố

định

ấn định theo yêu cầu

ấn định ngẫu nhiên lặp

ấn định ngẫu nhiên với dành trớc

Hỡnh 2.1 Phõn loại cỏc giao thức đa truy nhập

Cỏc giao thức khụng va chạm (hay lập biểu) trỏnh được hiện tượng hai hay nhiều người cựng đồng thời truy nhập kờnh bằng cỏch lập biểu Điều này cú thể thực hiện theo hai cỏch: hoặc phõn bổ cố định cho từng ngừơi sử dụng một phần dung lượng truyền dẫn, hoặc phõn bổ theo yờu cầu (lập biểu chỉ thực hiện khi người sử dụng cú thụng tin cần phỏt)

Đối với giao thức va chạm (hay truy nhập ngẫu nhiờn), ngừơi sử dụng khụng thể đảm bảo rằng truyền dẫn khụng xẩy ra va chạm vỡ cú thể cỏc ngừơi sử dụng khỏc cũng đang phỏt (đang truy nhập kờnh) Vỡ thế cỏc giao thức này cần phải phõn giải xung đột nếu chỳng xẩy ra

Cỏc giao thức CDMA khụng khụng thuộc giao thức khụng va chạm cũng như giao thức va chạm CDMA nằm giưó hai giao thức này Theo nguyờn lý thỡ nú là giao thức khụng va chạm vỡ ở CDMA nhiều người sử dụng được phộp phỏt đồng thời Tuy nhiờn nếu số ngừơi sử dụng phỏt đồng thời vượt quỏ ngưỡng thỡ cú thể xẩy ra va chạm

Cú thể chia tiếp giao thức va chạm vào cỏc giao thức ngẫu nhiờn phỏt lặp và cỏc giao thức ngẫu nhiờn dành trước Ở giao thức thứ hai trong lần phỏt đầu ngừơi sử dụng sử dụng phương phỏp truy nhập ngẫu nhiờn để truy nhập kờnh Tuy nhiờn sau khi đó truy nhập được vào kờnh, truyền dẫn của người sử dụng này được lập biểu cho đến khi người này phỏt song Tồn tại hai kiểu dành trước: ẩn tàng và tường minh Cỏc giao thức dành trước tường minh sử dụng một gúi dành trước để yờu cầu phỏt ở cỏc thời điểm được lập biểu Cỏc giao thức dành trước ẩn tàng được thiết kế khụng sử dụng gúi dành trước

2.5 CÁC GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP KHễNG VA CHẠM (THEO LẬP BIỂU)

Cỏc giao thức đa truy nhập khụng va chạm cho phộp trỏnh được tỡnh trạng nhiều người sử dụng cựng đồng thời truy nhập cựng một kờnh bằng cỏc lập biểu truyền dẫn

cho tất cả các người sử dụng Vì tất các các người sử dụng phát trật tự theo lập biểu nên mọi cuộc phát đều thành công Lập biểu có hai dạng:

1 Lập biểu ấn định cố định Với kiểu lập biểu này mỗi ngừơi sử dụng được phân

bổ một phần dung lượng kênh cố định độc lập với sự tích cực của người này Việc phân chia này có thể được thực hiện theo tần số hoặc thời gian Việc phân chia theo thời gian dẫn đến giao thức TDMA trong đó thời gian truyền dẫn được chia thành các khung trong đó mỗi ngừơi sử dụng được ấn định một phần cố định của khung và không chồng lấn lên phần khung của người sử dụng khác Phân chia tần số dẫn đến giao thức FDMA trong đó độ rộng băng tần của kênh được chia thành các băng tần số cách biệt và mỗi người sử dụng được ấn định một băng cố định

2 Lập biểu ấn định theo yêu cầu Một ngừơi sử dụng chỉ được phép phát nếu người này tích cực (có thông tin cần phát) Như vậy các ngừơi sử dụng tích cực (hay sẵn sàng) sẽ phát một cách trật tự theo lập biểu Ở lập biểu ấn định theo yêu cầu ta có thể phân biệt điều khiển tập trung và điều khiển phân bố Với lập điều khiển tập trung chỉ có một thực thể duy nhất lập biểu cho truyền dẫn Với lập điều khiển phân bố tất cả các người sử dụng đều tham gia vào quá trình lập biểu và giao thức này là giao thức chuyển thẻ (Token- Passing)

2.5.1 Ấn định cố định

Với các giao thức đa truy nhập ấn định cố định dung lượng kênh được phân chia cố định cho các người sử dụng: mỗi người sử dụng được ấn định một phần dung lượng kênh dù người này có phát hay không Ấn định có thể được thực hiện ở thời gian hoặc tần số dẫn đến các giao thức TDMA và FDMA

Giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Ở giao thức TDMA cơ sở, trục thời gian (phát) được chia thành các khung có

độ dài như nhau và mỗi khung lại được chia thành số khe thời gian như nhau Tất cả các khe thời gian có cùng độ rộng Mỗi khe thời gian trong khung được ấn định cho một người sử dụng và việc ấn định này được duy trì như nhau ở tất cả các khung Điều này có nghĩa rằng một người sử dụng có thể phát ở một khe nhất định trong tất

cả các khung Trong thời gian của khe này người sử dụng có quyền sử dụng toàn bộ

độ rộng băng tần được phân bổ Hình 2.2 cho thấy việc ấn định ở một khung cơ sở có bốn khe thời gian trên khung

Ng-êi sö dông 2 Ng-êi sö dông 3 Ng-êi sö dông 4 Ng-êi sö dông 1 Ng-êi sö dông 2 Ng-êi sö dông 3 Ng-êi sö dông 4 Ng-êi sö dông 1 Ng-êi sö dông 2

Hình 2.2 Cấu trúc khung và khe thời gian của TDMA cơ sở

Vùng tô đậm ở hình này là khoảng thời gian bảo vệ ở mỗi khe, người sử dụng không được phát trong khoảng thời gian này Các khoảng bảo vệ này cần thiết để

tránh việc phát chồng lấn của các người sử dụng khác nhau do trễ truyền dẫn khác nhau

Với giao thức TDMA cơ sở mọi người sử dụng được phân bổ cùng một dung lượng: một khe thời gian trong một khung Như vậy khối lượng lưu lượng được phát trong mỗi khe phải đủ để mang được lưu lượng của người sử dụng có khả năng tạo ra lưu lượng lớn nhất Nhưng điều này có nghĩa rằng ngừơi sử dụng tạo ra lưu lượng ít hơn nhiều sẽ rất lãng phí dung lượng.Vì thế các giao thức TDMA tổng quát được nghiên cứu để cho phép phân bổ nhiều khe thời gian hơn trong một khung cho các người sử dụng và cũng cho phép tạo ra các khe thời gian có độ dài khác nhau trong mỗi khung Tuy nhiên vẫn lãng phí dung lượng nếu người sử dụng không có thông tin cần phát ở khe thời gian được phân bổ

Mặc dù lãng phí dung lượng, TDMA vẫn được sử dụng rất phổ biến vì tính chất khá đơn giản của nó Trở ngại duy nhất gập phải ở TDMA là cần phải đạt được

sự đồng bộ cần thiết cho tất cả các ngừơi sử dụng để mỗi ngừơi sử dụng biết được mình được phát khi nào và bao lâu

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Với FDMA độ rộng băng tần của kênh thông tin được chia thành các băng tần

số cùng với khoảng băng bảo vệ giữa các băng này để đạt được sự phân cách tần số giữa các băng lân cận Mỗi người sử dụng được ấn định một băng tần để sử dụng riêng Như vậy đối với FDMA, mỗi người sử dụng có thể sử dụng một phần kênh truyền dẫn trong toàn bộ thời gian

FDMA có cùng tính chất lãng phí dung lượng như TDMA, ngừơi sử dụng khác không thể sử dụng băng tần của người sử dụng đang sử dụng Ngoài ra hiệu năng của

nó cũng hơi kém hơn do trễ truyền lan Tuy nhiên FDMA có ưu điểm là đơn giản hơn TDMA vì không cần đồng bộ các người sử dụng

2.5.2 Ấn định theo yêu cầu

Với các giao thức không va chạm ấn định theo yêu cầu, chỉ có các người sử dụng có thông tin cần truyền mới được ấn định một phần dung lượng kênh Truyền dẫn của các ngừơi sử dụng được lập biểu một cách trật tự để không xẩy ra va chạm Không có dung lượng nào bị lãng phí cho các người sử dụng không có thông tin cần truyền Tuy nhiên các giao thức này cần một số dung lượng để xác định các người sử dụng yêu cầu truy nhập kênh và lập biểu truyền dẫn

Quá trình lập biểu có thể được điều khiển bởi một thực thể trung tâm Khi này

ta có loại giao thức ấn định theo yêu cầu tập trung trong đó giao thức dò hỏi cuộc gọi quay vòng là một thí dụ sẽ được xét ở phần này Điều khiển cũng có thể được phân bố

ở tất cả các người sử dụng Khi này ta có loại giao thức ấn định theo yêu cầu phân bố Thí dụ về giao thức này là giao thức bus chuyển thẻ (Token Bus) sẽ được xét ở phần này

Dò hỏi cuộc gọi quay vòng

Có lẽ giao thức dò hỏi cuộc gọi quay vòng là giao thức dò hỏi thông thường nhất Bộ điều khiển trung tâm dò hỏi từng người sử dụng theo trình tự được quy định trước Trong mỗi chuỗi dò hỏi, mỗi người sử dụng chỉ được hỏi một lần Khi một người sử dụng nhận được bản tin dò hỏi từ bộ điều khiển trung tâm, nó hoặc thông báo không có thông tin cần phát hoặc nó phát đi tất cả các bản tin đã được lưu ở bộ đệm của mình Sau khi đã phát hết bản tin cuối cùng, người sử dụng phát bản tin "sẵn sàng" đến bộ điều khiển trung tâm Khi nhận được bản tin này bộ điều khiển trung tâm phát bản tin dò hỏi đến ngừơi sử dụng tiếp theo trong chuỗi dò hỏi

Phần tin điều khiển trong giao thức dò hỏi cuộc gọi quay vòng bao gồm các bản tin dò hỏi và các bản tin điều khiển để thông báo rằng người sử dụng không có thông tin truyền hoặc đã kết thúc truyền Phần tin điều khiển tăng nếu số người sử dụng không có thông tin truyền tăng Các giao thức dò hỏi tiên tiến hơn được nghiên cứu để giảm bớt phần tin điều khiển (chẳng hạn giao thức dò hỏi Hub) Các giao thức

dò hỏi khác cũng cho phép những người sử dụng có nhiều lưu lượng đựơc hỏi nhiều hơn trong một chuỗi dò hỏi

Giao thức chuyển thẻ

Một trong thí dụ của giao thức này là giao thức Bus chuyển thẻ Ở giao thức này một số người sử dụng được kết nối đến cùng một Bus Mỗi người sử dụng được dành riêng một địa chỉ và các người sử dụng của Bus được sắp đặt theo chu chu trình (nhờ vậy tạo nên một xuyến logic) bằng cách cho từng người biết địa chỉ của người tiếp theo Truyền dẫn đến một người sử dụng được thực hiện bằng cách gán địa chỉ của người sử dụng này cho thông tin định phát Người sử dụng nhận biết được địa chỉ của mình và sẽ biết được rằng thông tin này đựơc phát cho mình

Quyền của người sử dụng được phát phụ thuộc vào người sử dụng này có nhận được phần tin điều khiển đặc biệt được gọi là thẻ (token) từ người đứng trước hay không Nếu một người sử dụng nhận được thẻ và có thông tin cần truyền, người này sẽ phát thông tin này Sau khi kết thúc, người sử dụng chuyển thẻ đến người tiếp theo Nếu người sử dụng không có gì để phát, người này sẽ phát thẻ ngay lập thức đến người tiếp theo Bây giờ người tiếp theo sẽ giữ thẻ và được phép phát

2.6 CÁC GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP VA CHẠM (NGẪU NHIÊN)

Với các giao thức đa truy nhập va chạm, sẽ không có quá trình lập biểu truyền dẫn Điều này có nghiã rằng một người sử dụng sẵn sàng phát sẽ không biết chính xác khi nào có thể phát mà không bị các người sử dụng khác gây nhiễu Người sử dụng có thể biết hoặc không biết các cuộc truyền dẫn đang xẩy ra (bằng cách thăm dò kênh) Nhưng người này không thể biết chính xác về các người sử dụng sẵn sàng khác Như vậy nếu một số người sử dụng ở trạng thái sẵn sàng và cùng phát tại một thời điểm thì tất cả các cuộc truyền dẫn này sẽ thất bại Sự cố truyền dẫn có thể xẩy ra này làm cho việc thực hiện thành công một cuộc truyền dẫn trở thành quá trình ngẫu nhiên Giao thức truy nhập ngẫu nhiên phải phân giải được va chạm xẩy ra khi vài người sử dụng cùng phát

Ta có thể chia các giao thức đa truy nhập va chạm thành hai nhóm, các giao thức truy nhập ngẫu nhiên lặp và các giao thức truy nhập ngẫu nhiên dành trước Với các giao thức thứ nhất, truyền dẫn của mọi người sử dụng xẩy ra giống như đã trình bầy ở trên Với mọi cuộc truyền dẫn này đều có thể xảy ra va chạm Với giao thức thứ hai chỉ ở cuộc truyền dẫn thứ nhất người sử dụng không biết cách tránh va chạm với các ngừơi sử dụng khác Tuy nhiên một khi người sử dụng đã kết thúc thành công cuộc truyền dẫn thứ nhất của mình (khi ngừơi sử dụng đã truy nhập được vào mạng) thì các cuộc truyền dẫn tiếp theo sẽ được lập biểu một cách trật tự để không thể xẩy ra

va chạm Như vậy sau khi truyền dẫn thành công, một phần dung lượng của kênh sẽ được phân bổ cho người sử dụng và các người sử dụng khác sẽ kiềm chế không sử dụng dung lượng này Người sử dụng sẽ mất dung lượng được cấp phát nếu anh ta không có thông tin cần truyền

2.6.1 Các giao thức truy nhập ngẫu nhiên lặp

Tại khởi đầu của mỗi cuộc truyền dẫn, người sử dụng không biết các người sử dụng khác cũng sẽ truyền hay không Vì thế va chạm sẽ xẩy ra nếu hai hay nhiều người sử dụng cùng truyền một lúc Nếu các ngừơi sử dụng cũng không có khả năng phát hiện một cuộc truyền dẫn đang xẩy ra, thì va chạm cũng sẽ xẩy ra nếu một ngừơi

sử dụng mới bắt đầu một cuộc truyền dẫn trong khi một ngừơi sử dụng khác đã bận Nếu môt ngừơi sử dụng cảm nhận thấy một cuộc truyền dẫn đang xẩy ra, nó có thể hoãn lại cuộc truyên dẫn của mình cho đến khi kênh rỗi Khi này va chạm chỉ có thể xẩy ra khi hai hay nhiều ngừơi sử dụng cùng bắt đầu phát tại một thời điểm

Phần này sẽ trình bầy các giao thức truy nhập ngẫu nhiên lặp sau: ALOHA thuần tuý (p-ALOHA), ALOHA chia khe (s-ALOHA), đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA; Carrier Sense Multiple Access), đa truy nhập cảm nhận cấm (Inhibit Sense Multiple Access) và thuật toán ngăn xếp Với các giao thức CSMA và ISMA, người sử dụng thăm dò kênh trước khi phát (và hoãn lại nếu cần thiết) Với các giao thức khác, người sử dụng không biết đến các cuộc truyền dẫn đang được tiến hành

ALOHA thuần tuý (p-ALOHA)

Giao thức ALOHA thuần tuý được gọi theo cái tên hệ thống ALOHA: một mạng vô tuyến gói được phát triển bởi trường đại học Hawaii và được đưa vào khai thác năm 1970 Giao thức đa truy nhập sử dụng ở hệ thống này là giao thức đầu tiên của loại này và được gọi là giao thức ALOHA Sau này các phương án khác nhau của giao thức ALOHA được nghiên cứu và giao thức đầu tiên được gọi lại là ALOHA thuần tuý (p-ALOHA)

Giao thức p-ALOHA là giao thức tập trung Một số người sử dụng có thể phát đến một trạm gốc ở đường lên và thu từ trạm gốc ở kênh đường xuống có băng tần khác Ngay sau khi một người sử dụng có gói cần truyền người này sẽ phát gói này trên kênh đường lên Nếu không có người sử dụng khác phát, trạm gốc sẽ nhận được thông tin đúng và phát gói công nhận trên kênh đường xuống Khi thu được công nhận ngừơi sử dụng biết rằng cuộc truyền dẫn của mình đã thàh công

Nếu hai hay nhiều người sử dụng cùng phát đồng thời, va chạm sẽ xẩy ra Trạm gốc nhận ra được sự cố này vì thu được một cuộc truyền dẫn va chạm và sẽ không

phát công nhận Khi một người sử dụng không nhận được công nhận, nó cho rằng truyền dẫn của mình bị va chạm và sẽ phải phát lại Sẽ không thực hiện phát lại đơn giản sau một khoảng thời gian cố định vì hai người sử dụng đã phát ở cùng một thời điểm và sẽ cùng nhận ra sự va chạm ở cùng thời điểm và vì thế nếu phát lại ở cùng thời điểm sẽ dẫn đến một va chạm mới Để tránh được tình trạng này, một người sử dụng khi bị va chạm sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi phát lại

Hình 2.3 cho thấy hai đầu cuối phát trên kênh đường lên Tại t=t0 người sử dụng 1 tạo ra một gói và phát ngay lập tức

Khởi đầu cuả gói này sẽ đến trạm gốc sau khoảng thời gian trễ truyền sóng tp1

Vì không có cuộc truyền dẫn nào khác nên cuộc truyền dẫn này thành công Tại t=t1

người sử dụng 2 tạo và phát đi một gói Khởi đầu của gói này sẽ đến trạm gốc sau khỏang thời gian trễ truyền sóng tp2 Thông thường tp1 và tp2 khác nhau vì vị trí không gian của các ngừơi sử dụng khác nhau, giả sử ở đây tp2>tp1

Truyền dẫn gói 1 của người sử dụng 2 sẽ va chạm với gói 2 của người sử dụng

1 Gói của người sử dụng một sẽ được lập biểu lại dể phát lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên muộn hơn tr1 và gói của người sử dụng 2 được lập biểu lại sau khoảng thời gian ngẫu nhiên tr2 Trong trường hợp này cả hai gói được truyền dẫn thành công Đôi khi giao thức p-ALOHA được trình bầy hơi khác Thay cho việc đợi công nhận tường minh từ trạm gốc, người sử dụng phát gói sẽ "nghe" ngóng kênh để xem có xẩy

ra bất kỳ cuộc truyền dẫn nào khác

Gãi 1

Gãi 1 (LËp biÓu l¹i)

TruyÒn thµnh c«ng V a ch¹m V a ch¹m

TruyÒn thµnh c«ng

TruyÒn thµnh c«ng

Hình 2.3 Truyền dẫn thành công và va chạm ở p-ALOHA

trong khi người sử dụng này phát hay không Nếu có một cuộc truyền dẫn khác thì cần phải phát lại Phát lại sẽ được trễ một khoảng thời gian ngẫu nhiên

Giao thức tựa ALOHA này có thể hoàn toàn phân bố vì nó không dựa trên việc trạm gốc có kiểm tra việc xẩy ra va chạm hay không

Giả sử rằng quá trình đến của các gói mới được trình bầy bằng phân bố Poission Giả thiết này đúng đối với các ngừơi sử dụng không tương quan trong mạng Giả thiết này có nghĩa rằng xác suất nhận được m bản tin đến trong khoảng thời gian

, P(m), được xác định như sau:

 

0

!)

(    

m

e m

Do va chạm một số bản tin không được truyền thành công Vì thế ta định nghĩa quá trình đến kết hợp cuả các gói mới có tốc độ là  và phát lại ở tốc độ là r Ta ký hiệu tổng tốc độ đến của lưu lượng là t, khi này ta có t=+r và quá trình này cũng được mô hình hoá bởi phân bố Poisson Hoạt động của truyền dẫn gói được cho ở hình 2.4

C¸c ph¸t l¹i

Hình 2.4 Hoạt động ở một hệ thống ALOHA

Một người sử dụng có thể phát bản tin thành công chừng nào không có người

sử dụng khác đã bắt đầu phát trong khoảng thời gian  gói trước đó và bắt đầu phát trong khoảng thời gian  gói tiếp theo Như vậy mỗi gói cần một khoảng thời gian là 2

Giả sử Ps là xác suất mà một gói đựơc truyền dẫn thành công Nghiã là bản tin này không va chạm với bất kỳ bản tin nào khác Ta có thể tính Ps bằng cách tìm xác suất không có bản tin nào khác được phát trong khoảng thời gian 2, điều này tương ứng với m=0 ở công thức (2.1) Coi răng lưu lượng phân bố Poisson, ta có thể thay thế tổng lưu lượng t và khoảng thời gian 2 vào (2.4) để tính toán Ps=Pt(m=0) như sau:

t t

t t

2 0

!0

)2()0

Có thể xác định xác suất các gói thành công như là tỷ số giữa tốc độ đến mới  với tổng tốc độ đến t:

t s

Định nghĩa thông lượng chuẩn hoá S là số gói truyền không thất bại trong thời gian một gói như sau:

A LOHA thuÇn tuý

Tæng l-u l-îng chuÈn ho¸, G

Hình 2.5 Thông lượng chuẩn hoá cho các hệ thống ALOHA

ALOHA chia khe (s-ALOHA)

p-ALOHA rất đơn giản nhưng có thông lượng kênh rất thấp, chỉ 18% Nguyên

do chính của điều mày là vì xác suất bị ngắt của một cuộc truyền dẫn của người sử dụng do các cuộc truyền dẫn khác khá lớn nếu lưu lượng trên kênh tăng Từ hình 2.6

ta thấy rằng người sử dụng 1 bắt đầu phát tại t=t0 Coi rằng truyền dẫn mất T giây, vì thế truyền dẫn của người sử dụng 1 kết thúc tại t=t0+T Từ hình vẽ ta cũng thấy rằng truyền dẫn của một người sử dụng khác khởi đầu ở một thời điểm bất kỳ trong khoảng

t0 trừ t0+T sẽ va chạm với người sử dụng 1 (được đánh dấu bằng vùng tô đậm ở hình 2.6)

Hình 2.7 cho thấy điều gì sẽ xẩy ra nếu người sử dụng 1 tạo ra một gói (đánh dấu bởi vạch tô đậm) giữa thời gian 0 và T

Người sử dụng chỉ có thể bắt đầu phát bản tin tại khởi đầu của một khe thời gian Giả thiết rằng tất cả các ngừơi sử dụng đều được đồng bộ chính xác sao cho quy định khe thơi gian giống nhau cho toàn bộ mạng

Một ngừơi sử dụng có thể phát thành công khi không có ngừơi sử dụng khác phát trong khoảng thời gian  của gói Kết hợp các ptr.(2.1) và (2.2) ta được xác suất một bản tin thành công ở hệ thống ALOHA chia khe như sau:

Thông lượng cực đại của sơ đồ ALOHA chia khe là 1/e hay vào khoảng 36% của dung lượng khả dụng và thông lượng này nhận được khi G=1 Dung lượng của hệ thống ALOHA chia khe gấp đôi dung lượng của hệ thống ALOHA thuần tuý Hình 2.5 cho thấy quan hệ giữa thông lượng chuẩn hoá và tổng lưu lượng đối với các hệ thống ALOHA thuần tuý và chia khe

Cả hệ thống ALOHA thuần tuý và chia khe đều nhậy cảm với sự bất ổn định khi tải lưu lượng cao Khi tải lưu lượng tăng, xác suất va chạm tăng và dần dần dẫn đến không gói nào có thể được truyền thành công

Hệ thống ALOHA chia khe được sử dụng trong các hệ thống thông tin di đông

tổ ong GSM của Châu ÂU để đảm bảo sự truy nhập ban đầu của các MS đến các BS Điều đáng ngạc nhiên là các hiệu ứng truyền sóng ở vô tuyến di động có hại cho khả năng chống lỗi lại tăng cường đáng kể dung lượng của ALOHA chia khe Hiệu ứng quan trọng nhất nhất là truyền sóng đa đừơng Hiệu ứng này xẩy ra do sự tán xạ và trễ truyền sóng khác nhau cuả các tia tán xạ Các tín hiệu tán xạ có thời gian gần giống nhau trễ có phân bố Rayleigh Tín hiệu tổng hợp là tổng của các tín hiệu phân bố Rayleigh với các thời gian trễ truyền sóng khác nhau và tín hiệu này mang tính chọn lọc tần số Ảnh hưởng truyền sóng quan trọng thứ hai là hiện tượng gần xa1 Nó thể hiện ở việc mức công suất cuả các tín hiệu thu được tại BS khác nhau đối với các MS nằm ở các vi trí khác nhau trong ô Kết hợp cả hai hiệu ứng này cho ta một ảnh hưởng

có lợi lên dung lượng của ALOHA chia khe Ở sơ đồ ALOHA chia khe tiêu chuẩn ta coi rằng mức công suất của tín hiệu thu được ở BS (W) là như nhau Vì thế khi xẩy

ra va chạm, tín hiệu thu ở BS sẽ bị nhiễu giao thoa lớn tại mức công suất ít nhất là W

Vì thế mọi va chạm sẽ dẫn đến phá huỷ tất cả các bản tin liên quan và cũng buộc phải được phát lại

Mặt khác ở các mạng thông tin di động tổ ong, một tin hiệu thu được ở BS có thể lớn hơn nhiều so với các tín hiệu khác di đến từ các ngừơi sử dụng ở xa hơn Nếu tổng nhiễu của các tín hiệu khác yếu, BS có thể thu thành công tín mạnh nhất này Việc thu thành công khi có mặt các tín hiệu gây nhiễu khác được gọi là bắt (Capturre)

Hiệu ứng bắt làm tăng dung lượng hệ thống so với ALOHA tiêu chuẩn, vì một tín hiệu có thể được thu thành công thậm chí cả khi xẩy ra va chạm

Giả sử rằng mức công suất của tín hiệu hữu ích là W và tổng mức nhiễu là I Bắt sẽ xẩy ra khi công suất tín hiệu cao hơn mức tổng nhiễu I một ngữơng là R0

R I

Giả thiết rằng giao thức ALOHA chia khe, môi trường phađinh Rayleigh và hiệu ứng gần xa được biểu diễn như sau:

5,52

Hình 2.8 Các đường cong thông lượng cho các ngưỡng bắt khác nhau

Giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA)

Ta có thể chia giao thức giao thức đa truy nhập cảm nhận sóng mang (CSMA: Carrier Sense Multiple Access) thành hai loại giao thức con: giao thức CSMA không liên tục (Nonpersistent CSMA) và giao thức CSMA liên tục với xác suất p (p-persistent CSMA)

Ở các giao thức CSMA không liên tục, một người sử dụng khi có gói cần truyền trước hết "nghe" để cảm nhận kênh xem kênh này có đang được sử dung cho

để truyền dẫn cho các người sử dụng khác hay không Nếu cảm nhận là kênh rỗi, người này sẽ phát; ngược lại người này sử dụng này sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên sau đó thử lại Thoạt nhìn ta có cả tưởng rằng giao thức này cho phép hoàn toàn tránh được sự va chạm, tuy nhiên do trễ truyền lan giữa các người sử dụng, có thể xẩy

ra rằng một người sử dụng cảm thấy kênh rỗi và bắt đầu phát trong khi đang xẩy ra truyền dẫn cuả người sử dụng khác Hình 2.9 cho thấy cuộc truyền dẫn của người sử

dụng 1 bắt đầu tại t=t0 Với trễ truyền lan giữa người sử dụng 1 và 2 là tp, người sử dụng 2 sẽ cảm nhận kênh rỗi trong

t 0 t +t 0 p

Thêi gian

Ng-êi sö dông 1

Ng-êi sö dông 2

Hình 2.9 Va chạm ở CSMA do trễ truyền lan

khỏang thời gian giữa t0 và t0+ tp Vì thế nếu người sử dụng 2 tạo ra gói trong khoảng thời gian này thì sẽ xẩy ra va chạm truyền dẫn

Nếu không có gói công nhận từ phía trạm thu thì người sử dụng hiểu rằng đã có

va chạm Khi phát hiện ra va chạm, gói được định thời phát lại trong khoảng thời gian ngẫu nhiên muộn hơn

Trường hợp đặc biệt của các giao thức CSMA thường xuyên với xác suất p persistent CSMA) là CSMA thường xuyên với xác suất 1 (1-persistent CSMA) Giao thức này cũng giống như giao thức CSMA không liên tục, chỉ khác ở chỗ khi một người sử dụng cảm thấy kênh bận thì truyền dẫn sẽ không được lập biểu lại ở khoảng thời gian ngẫu nhiên muộn hơn mà người sử dụng này tiếp tục thăm dò kênh này cho đến khi kênh trở nên rỗi và sau đó ngay lập tức phát đi gói của mình

(p-Kết quả là tất cả các người sử dụng đã sẵn sàng trong khi kênh truyền dẫn bị bận sẽ phát ngay khi kênh này hết bận, điều này dẫn đến xác suất va chạm ở cuối một cuộc truyền dẫn thành công rất cao

Để tránh được va chạm của các gói tích luỹ khi kênh đang bận, ta có thể ngẫu nhiên hoá khởi đầu thời gian truyền dẫn của các gói tích luỹ Để thực hiện điều này ta cho phép các người sử dụng có gói cần truyền trong thời gian kênh bận được phép phát ngay khi kênh rỗi với xác suất p hoặc hoãn lại cuộc truyền của mình trong khoảng thời gian t với xác suất 1-p (t là trễ truyền lan cực đại giữa hai người bất kỳ trong hệ thống) Sau t giây, đầu cuối bị hoãn sẽ lại thăm dò kênh và áp dụng cùng thuật toán như trên

Với giao thức CSMA thường xuyên xác suất p, người sử dụng sẽ không biết được va chạm sau khi toàn bộ gói được truyền Lý do là vì công nhận chỉ được phát từ phía người nhận sau khi toàn bộ gói đã được phát Vì va chạm chỉ có thể xẩy

ra trong khoảng thời gian trễ truyền lan sau khi bắt đầu truyền dẫn, nên sẽ làm lãng phí thời gian cho việc truyền thêm các gói nếu xẩy ra va chạm trong khoảng thời gian này Chính vì lý do này giao thức CSMA với phát hiện va chạm CSMA-CD (CD: Collision Detect) đã được phát triển Với các giao thức này, người sử dụng duy trì giám kênh trong khi đang phát Nếu phát hiện thấy va chạm, người sử dụng huỷ bỏ ngay truyền dẫn và vì thế tiết kiệm được thời gian Giao thức CSMA-CD liên tục với xác suất 1 được sử dụng rộng rãi trong các mạng máy tính và tuân theo tiêu chuẩn IEEE 802.2

 Cảm nhận sóng mang logic tại lớp MAC

 Mọi gói thông báo thời gian chiếm dụng kênh truyền dẫn hiện thời: NAV (Netwwork Allocation Vector: vectơ ấn đinh mạng)

 Tất cả các trạm giám sát kênh này bằng các đọc tiêu đề MAC chứa NAV Tất cả các trạm gửi ngược (Back off) NAV vài s trước khi tranh chấp cuộc truyền tiếp theo

Khi một trạm muốn phát một khung số liệu, nó cần nghe kênh trước khi phát (hình 2.10):

 Nếu không thấy có ai phát trong một chu kỳ DIFS (Distributed Interframe Spacing: phân cách phân bố giữa các khung), nó phát khung ngay lập tức

 Nếu môi trường bị bận, nó tiếp tục nghe cho đến khi môi trường rỗi Nếu môi trường khả dụng, nó trễ thêm một khoảng thời gian trước khi truyền Khoảng thời gian Tback-off

T back-off

t

Hình 2.10 Quá trình nghe kênh để tranh chấp kênh

Trong cảm cảm nhận sóng mang ảo:

 Trạm tranh chấp được kênh sẽ phát khung đơn hướng (Unicast Frame) chỉ thị thời gian truyền dẫn bao gồm cả ACK

 Các trạm giám sát khác cảm nhận môi trường sau NAV và một khoảng trễ DIFS (Distributed Inter Frame Space: khoảng cách giữa các khung phân bố) Hình 2.11 cho thấy quá trình phát của một trạm chiếm được kênh