Nghiên cứu cơ chế lập lịch hiệu quả trong công nghệ mạng WIMAX luận văn ths công nghệ thông tin pdf

WiMAX với sự hỗ trợ đảm bảo chất lượng dịch vụ QoS hoàn toàn đáp ứng những dịch vụ chất lượng gồm có thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng như hội nghị vid

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

BÙI THỊ CẨM DƯƠNG

NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ LẬP LỊCH HIỆU QUẢ TRONG

CÔNG NGHỆ MẠNG WIMAX

Ngành: Công nghệ Thông tin

Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và Mạng máy tính

Mã số:

LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S Dương Lê Minh

Hà Nội - 2015

LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến người thầy TS Dương Lê Minh, thầy đã dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tôi hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này Thầy đã dẫn dắt cho tôi tới những vấn đề khoa học, định hướng nghiên cứu, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi tốt nhất cho tôi học tập và nghiên cứu

Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn tới các thầy cô trường Đại học Công nghệ đã tham gia giảng dạy và chia sẻ những kinh nghiệm quý báu cho tất cả các học viên nói chung và cá nhân tôi nói riêng

Cuối cùng, tôi cũng bày tỏ lòng biết ơn về sự giúp đỡ của các thầy cô, anh, chị,

em đồng nghiệp trong khoa Công nghệ Thông tin - trường Đại học Thủ đô Hà Nội, cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điệu kiện tốt nhất cho tôi về thời gian cũng như động viên tôi hoàn thành bài luận văn

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2015

Học viên

Bùi Thị Cẩm Dương

LỜI CAM ĐOAN Những kiến thức trình bày trong luận văn là do tôi tìm hiểu, nghiên cứu và trình bày lại theo cách hiểu Trong quá trình làm luận văn, tôi có tham khảo các tài liệu có liên quan và đã ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đó Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi và không sao chép của bất kỳ ai với sự hỗ trợ của giảng viên hướng dẫn Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào

Hà Nội, ngày tháng 09 năm 2015

Học viên

Bùi Thị Cẩm Dương

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 10

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ WIMAX 12

1.1 GIỚI THIỆU WIMAX 12

1.1.1 Lịch sử phát triển 12

1.1.2 Kiến trúc WiMAX 14

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX 15

1.3 ỨNG DỤNG CỦA WIMAX 16

1.4 LỚP MAC TRONG WIMAX 16

1.4.1 Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ 18

1.4.2 Lớp con phần chung MAC (CPS) 20

1.4.3 Lớp con bảo mật 22

1.5 CƠ CHẾ YÊU CẦU THIẾT LẬP KẾT NỐI 23

1.5.1 Đường xuống DL 25

1.5.2 Đường lên UL 25

1.6 TDD FRAME 27

1.6.1 TDD Downlink-subframe 28

1.6.2 TDD Uplink-subframe 31

1.7 KIẾN TRÚC QoS VÀ QoS SCHEDULING 33

1.7.1 Kiến trúc QoS 33

1.7.2 QoS Scheduling 34

CHƯƠNG 2.KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WIMAX 37

2.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ 38

2.1.1 Yêu cầu về QoS 39

2.1.2 Yêu cầu về lập lịch QoS tại từng tầng 39

2.1.3 Các cơ chế yêu cầu – đáp ứng 40

2.1.4 Các yêu cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS 41

2.2 MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH 42

2.2.1 First Come First Serve 42

2.2.2 Early Deadline First 43

2.2.3 Strict Priority 43

2.2.4 Fair Queuing 44

2.2.5 Round Robin 45

2.2.6 Weighted Round Robin 46

2.2.7 Weighted Fair Queuing 49

2.2.8 Deficit Weighted Round Robin 52

2.2.9 Cross-Layer 54

2.3 SO SÁNH CÁC THUẬT TOÁN 54

CHƯƠNG 3.THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS 56

3.1 CÀI ĐẶT VÀ THỬ NGHIỆM TRÊN MÔ PHỎNG 56

3.1.1 Môi trường mô phỏng 56

3.1.2 Kịch bản mô phỏng 58

3.2 THUẬT TOÁN “LẬP LỊCH HỖN HỢP” 62

KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

ABAS Adaptive Bandwidth Allocation

AES Advanced Encryption Standard Chuẩn mật mã cải tiến

ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu truyền lại tự động

ATM Asynchronous Transfer Mode Phương thức truyền không đồng bộ

BWR Bandwidth Request Yêu cầu băng thông

CAC Call Admission Control Điều khiển chấp nhận cuộc gọi CBR Constant Bit Rate Tốc độ bit cố định

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CID Connection Identifier Nhận dạng kết nối

CPS Common Part Sublayer Lớp con phần chung

CRC Cyclic Redundancy Check Kiểm tra mã vòng dư

CS Convergence Sublayer Lớp con hội tụ

DC Deficit Counter Bộ đếm dư thừa

DCD Downlink Channel Descriptor Mô tả kênh đường xuống

DES Data Encryption Standard Chuẩn mã hoá dữ liệu

DRR Deficit Round Robin Thuật toán lập lịch DRR

EAP Extensible Authentication Protocol Giao thức xác thực mở rộng

EDF Earliest Deadline First Thuật toán lập lịch EDF

ertPS Extended Real-Time Polling

Service

Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng

FCH Frame Control Header Tiêu đề điều khiển khung

FDD Frequency Division Duplexing Song công phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FIFO First In First Out Vào trước ra trước

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin

GPSS Grant Per Subscriber Station Cấp phát theo từng trạm thuê bao

HTTP Hypertext Transfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản

MAC Media Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MAN Metropolitan Area Network Mạng khu vực đô thị

MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

NAT Network Address Translation Thông dịch địa chỉ mạng

NLOS Non Line Of Sight Tầm nhìn không thẳng

nrtPS Non Real-Time Polling Service Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực

OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing Đa phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

PDU Packet Data Unit Đơn vị dữ liệu gói

PER Packet Error Rate Tốc độ lỗi gói

PHS Packet Header Suppression Rút ngắn tiêu đề gói

PKM Privacy Key Management Quản lý khoá bảo mật

PSH Packing Subheader Tiêu đề con đóng gói

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RSS Received Signal Strength Cường độ tín hiệu thu được

RSSI Received Signal Strength Indicator Bộ chỉ thị cường độ tín hiệu thu

được

rtPS Real-Time Polling Service Dịch vụ thăm dò thời gian thực SDU Service Data Unit Đơn vị dữ liệu dịch vụ

SFA Service Flow Authorization Cấp phép luồng dịch vụ

SFID Service Flow Identifier Nhận dạng luồng dịch vụ

SFM Service Flow Management Quản lý luồng dịch vụ

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên tạp âm

TCP Transport Control Protocol Giao thức điều khiển truyền tải TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian TDM Time Division Multiplexing Đa phân chia theo thời gian

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời

gian

UDP User Datagram Protocol Giao thức gam dữ liệu người sử

dụng UGS Unsolicited Grant Services Dịch vụ cấp phát tự nguyện

VoIP Voice Over Internet Protocol Thoại trên nền IP

WAN Wide Area Network Mạng khu vực rộng

WAP Wireless Access Protocol Giao thức truy nhập không dây WDRR Weighted Deficit Round Robin Kỹ thuật lập lịch WDRR

WFQ Weighted Fair Queuing Kỹ thuật lập lịch WFQ

Wi-Fi Wireless Fidelity Mạng không dây Wifi

WiMAX Worldwide Interoperability for

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX trong chế độ PMP 12

Hình 1.2: Kiến trúc mạng WiMAX 14

Hình 1.3: Các đặc tính nổi bật của công nghệ WiMAX 15

Hình 1.4: Cấu trúc lớp MAC 17

Hình 1.5: Chức năng của các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16 17

Hình 1.6: Phân loại và ánh xạ CID hướng từ BS đến SS 19

Hình 1.7: Phân loại và ánh xạ CID hướng từ SS đến BS 19

Hình 1.8: MAC PDU dữ liệu 20

Hình 1.9: Định dạng tiêu đề MAC chung [2] 20

Hình 1.10: Định dạng MAC PDU 21

Hình 1.11: Định dạng tiêu đề MAC yêu cầu băng thông [2] 22

Hình 1.12: Quá trình khởi tạo và thiết lập kết nối [3] 23

Hình 1.13: Quá trình thực hiện ranging 24

Hình 1.14: Khời tạo luồng dịch vụ 25

Hình 1.15: yêu cầu cấp băng thông và hỗ trợ trong lớp dịch vụ BE 26

Hình 1.16: Cấu trúc khung TDD (tổng quát) 27

Hình 1.17: Cấu trúc khung TDD (chia theo từng phần chức năng) 28

Hình 1.18: Khung phụ Downlink TDD 28

Hình 1.19: Các trường trong DL/UL BURST 31

Hình 1.20: DL Subframe [1] 32

Hình 1.21: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 33

Hình 2.1: Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông trong WiMAX hỗ trợ QoS 39

Hình 2.2: Minh họa thuật toán lập lịch FCFS [19] 42

Hình 2.3: Minh họa thuật toán lập lịch Fair Queuing 45

Hình 2.4: Minh họa thuật toán lập lịchWRR 47

Hình 2.5: Minh họa thuật toán lập lịchWRR khi các gói tin có chiều dài cố định 48

Hình 2.6: Minh họa thuật toán lập lịchWRR khi các gói tin có chiều dài thay đổi 49

Hình 2.7: Minh họa thuật toán lập lịchWFQ – khi truyền bit-by-bit 50

Hình 2.8: Minh họa thuật toán lập lịchWFQ – khi truyền theo thời gian kết thúc 50

Hình 2.9: Minh họa thuật toán lập lịchDWRR 52

Hình 3.1: Module WiMAX trong NS-2 57

Hình 3.2: Mô hình mô phỏng 58

Hình 3.3: Thông lượng trung bình của gói tin 59

Hình 3.4: Độ trễ trung bình của các gói tin 60

Hình 3.5: Thông lượng trung bình của các gói tin khi kích thước thay đổi 61

Hình 3.6: Độ trễ trung bình của các gói tin khi kích thước gói tin thay đổi 61

Hình 3.7: Quá trình xử lý gói tin theo thuật toán EDF trong các queue UGS, rtPS, nrtPS, ertPS 65

Hình 3.8: Quá trình xử lý gói tin theo thuật toán WRR trong queue BE 66

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Hiện nay, mạng truy cập không dây băng thông rộng BWA (Broadband Wireless Access) đang là lĩnh vực được tập trung nghiên cứu và phát triển Trong đó, Wi-Fi và 3G là những công nghệ đang phát triển với tốc độ dữ liệu tăng nhanh Tuy nhiên, Wi-

Fi và 3G có hạn chế chỉ sử dụng được trong phạm vi nhỏ và với tốc độ không cao Công nghệ mạng WiMAX ra đời, là giải pháp kinh tế khi triển khai internet cho những vùng xa, địa hình khó khăn ở đó số người dùng không đủ nhiều để đầu tư triển khai mạng cáp quang cho mạng đường trục 3G

Yêu cầu đối với mạng truy cập không dây băng thông rộng là hỗ trợ chất lượng dịch vụ đồng thời cho nhiều dịch vụvới những đòi hỏi về QoS khác nhau WiMAX với sự hỗ trợ đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) hoàn toàn đáp ứng những dịch vụ chất lượng gồm có thoại qua IP, video luồng/chơi game trực tuyến cùng với các ứng dụng như hội nghị video và giám sát video, mạng riêng bảo mật (yêu cầu an ninh cao).Chất lượng dịch vụ là tiêu chí quan trọng để đo lường hiệu năng của một mạng, được cung cấp thông qua việc phân lớp và lập lịch cho 5 lớp dịch vụ với các mức độ QoS riêng

Do đó, lập lịch lưu lượng hiệu quả là rất quan trọng trong mạng WiMAX

Luận văn này tập trung tìm hiểu những cách thức, thuật toán để giải quyết bài toán lập lịch nêu ở trên mà trong chuẩn IEEE.802.16 còn có phần để ngỏ cho các nhà phát triển dịch vụ lựa chọn

2 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Luận văn gồm các phần chính sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ WiMAX

Chương 1 giới thiệu nền tảng của tiêu chuẩn IEEE 802.16 và WiMAX, trình bày kiến trúc WiMAX, các đặc tính nổi bật của WiMAX, và đặc biệt là lớp MAC trong WiMAX, cấu trúc MAC trong TDD Frame, và các yêu cầu chất lượng dịch vụ

Chương 2: KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WiMAX

Chương 2 tập trung tìm hiểu yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS), các cơ chế yêu cầu của bộ lập lịch hỗ trợ QoS và phân tích một số thuật toán lập lịch

Chương 3: THUẬT TOÁN LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS

Chương 3 thực hiện mô phỏng thuật toán lập lịch trong dịch vụ BE và UGS, giới thiệu thuật toán lập lịch đề xuất nhằm mục đích cải thiện chất lượng dịch vụ mạng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ WIMAX

WiMAX, viết tắt của Worldwide Interoperability for Microwave Access – hay IEEE 802.16 – wireless microwave access – truy cập vô tuyến sóng cực ngắn, là công nghệ không dây dựa trên chuẩn IEEE 802.16 cung cấp kết nối Internet băng thông rộng chocả mạng cố định và di động ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm – đa điểm (PMP – point to multipoint) cho tới kết nối dạng lưới (mesh) Công nghệ mạng WiMAX phát triển qua bốn giai đoạn, dù không phân chia rõ ràng hoặc tuần tự: (1) hệ thống lặp cục bộ không dây, (2) hệ thống băng thông rộng truyền thẳng LOS – Line of Sight, (3) hệ thống băng thông rộng không truyền thẳng NLOS – non Line of Sight, (4) hệ thống không dây băng thông rộng dựa trên các chuẩn [03]

Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMAN Truyền thông trong WiMAX là hướng kết nối Tất cả dịch vụ từ lớp vật lý lên WiMAX MAC, bao gồm những dịch vụ kết nối, là những mô hình kết nối giữa SS (Subscriber Station)

và BS (Base Station) trong lớp MAC Một SS có thể có nhiều kết nối đến BS với mục đích cung cấp nhiều dịch vụ đến người sử dụng Kết nối được xác định bằng 16-bit (CIDs), tạo điều kiện thuận lợi dải thông cho kết nối và sự hỗ trợ QoS trong môi trường kết nối không dây tự động

Hình 1.1: Mô hình mạng WiMAX trong chế độ PMP 1.1 GIỚI THIỆU WIMAX

1.1.1 Lịch sử phát triển

IEEE 802.16 – 2001: Chuẩn WiMAX đầu tiên được thông qua vào tháng 10/2001, xác định mạng truyền không dây băng thông rộng từ điểm tới đa điểm với mục đích cho phép triển khai nhanh chóng và rộng rãi các hệ thống vô tuyến băng thông rộng với chi phí hiệu quả thay thế truy nhập băng thông rộng có dây, đảm bảo

khả năng tương thích giữa các thiết bị khác nhau, dải tần hoạt động từ 10 GHz đến 66 GHz, khoảng cách 2-7km Nhược điểm là chỉ dùng trên đường truyền thẳng LOS (Light Of Sight)

IEEE 802.16a: bổ sung thêm dải tần số 2-11 GHz, giúp việc truyền sóng trong môi trường có vật cản và bị che khuất dễ dàng hơn, bổ sung các kỹ thuật cho lớp vật lý giúp tối ưu kênh truyền theo băng tần ứng dụng

IEEE 802.16b: hoạt động trên dải tần số 5-6 GHz, cung cấp các dịch vụ với chất lượng cao, như ứng dụng truyền video, audio, real-time

IEEE 802.16d hay IEEE 802.16-2004: mở rộng các đặc điểm kĩ thuật của WiMAX ở dải tầng số 2–11 GHz, mô tả hệ thống WiMAX và sự phù hợp tiêu chuẩn đến môi trường mạng không dây tự động, thích ứng kiểu mạng lưới mà trong đó một thiết bị cuối có thể liên lạc với BS thông qua thiết bị cuối khác, giúp mở rộng vùng phủ sóng của BS Chuẩn này hỗ trợ cả hai phương thức truyền song công phân chia theo tần số (FDD - Frequency Division Duplexing) và truyền song công phân chia theo thời gian (TDD - Time Division Duplexing) Điểm nổi bật của phiên bản này là sự ghép nối của các đơn vị giao thức dữ liệu (PDU – Protocol Data Unit) với các đơn vị dịch vụ dữ liệu (SDU – Service Data Unit)

IEEE 802.16e – 2005: được hoàn thiện năm 2005, dựa trên nền tảng WiMAX cho các ứng dụng di động, thường được biết đến với tên gọi “Mobile WiMAX” Phiên bản này đưa ra phương pháp điều chế, đa truy nhập sử dụng công nghệ OFDMA cho phép các tín hiệu có thể chia thành nhiều kênh con khác nhau (subchannelization) nhằm giảm thiểu nhiễu đa đường

Đa lựa chọn cho mô hình MAC, song công (kép, duplexing), băng tần hoạt động,

… Nhiều chuẩn được phát triển phù hợp đa dạng ứng dụng và các kịch bản phát triển,

và cung cấp một loạt các lựa chọn thiết kế cho các nhà phát triển hệ thống Có thể nói rằng, IEEE 802.16 là một tập hợp của các chuẩn

1.1.2 Kiến trúc WiMAX

Hình 1.2: Kiến trúc mạng WiMAX Kiến trúc mạng WiMAX về cơ bản gồm hai phần:

1.1.2.1 Trạm gốc

Trạm gốc(BS – Base Station) được kết nối với mạng Internet thông qua các đường truyền tốc độ cao dành riêng hoặc có thể nối tới BS khác như một trạm trung chuyển bằng đường truyền thẳng LOS (Line Of Sight) Do đó, WiMAX có vùng phủ sóng rộng lớn

Trạm BS có các chức năng như:

- Tiếp nhận các kết nối và giao tiếp với các thiết bị đầu cuối

- Cho phép số lượng lớn lên tới vài ngàn phiên kết nối đồng thời

- Khả năng tương thích cao với nhiều thiết bị đầu cuối

- Khoảng cách kết nối lên đến 50km với tốc độ băng thông tối đa 70Mbps

1.1.2.2 Trạm thuê bao(SS –Subscriber Station)

Trạm thuê bao (SS –Subscriber Station) là các angten nhỏ kết nối với thiết bị thu đặt tại nhà thuê bao hoặc các thiết bị truyền thông cá nhân hỗ trợ WiMAX hoặc các card PCMCIA gắn bên trong các thiết bị di động

Trong một vùng phủ sóng, trạm BS sẽ điều khiển toàn bộ việc truyền dữ liệu đến các SS Điều đó có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi truyền thông trực tiếp giữa hai thiết bị đầu cuối của trạm thuê bao SS với nhau Kết nối giữa BS và các SS sẽ gồm một kênh uplink và 1 kênh downlink Kênh uplink sẽ chia sẻ băng thông cho nhiều SS trong khi kênh downlink có đặc điểm cung cấp thông tin quảng bá (broadcast) Trong trường hợp không có vật cản giữa SS và BS, thông tin sẽ được trao

đổi trên băng tầng cao Ngược lại, thông tin sẽ được truyền trên băng tầng thấp để chống nhiễu

1.2 CÁC ĐẶC TÍNH NỔI BẬT CỦA WIMAX

Hình 1.3: Các đặc tính nổi bật của công nghệ WiMAX

- Khả năng mở rộng băng thông và hỗ trợ tốc độ dữ liệu: tốc độ lớp vật lý có thể đạt 74 Mbps trong khi hệ điều hành sử dụng phổ rộng 20MHz, 25Mbps cho download, 6.7Mbps cho upload Linh hoạt phân bố tài nguyên sử dụng trên cả đường truyền uplink và đường downlink

- Hỗ trợ chất lượng dịch vụ: lớp MAC trong WiMAX là kỹ thuật hướng kết nối, được thiết kế để hỗ trợ đa ứng dụng bao gồm giọng nói, video, các dịch vụ đa truyền thông MAC WiMAX được thiết kế hỗ trợ đa người dùng với nhiều kết nối trên thiết bị, với mỗi yêu cầu QoS khác nhau

- Bảo mật mạnh mẽ: bằng cách mã hóa đường truyền giữa BS và SS, sử dụng chuẩn mã hóa nâng cao (Advanced Encryption Standard – AES), giao thức quản lý key và tính riêng tư với kỹ thuật xác thực dựa trên Giao thức xác thực

mở rộng (Extensible Authentication Protocol – EAP), với định danh, username/password, xác nhận số, smart cards WiMAX cũng hỗ trợ VLAN (Virtual LAN – mạng LAN ảo), cung cấp khả năng bảo vệ dữ liệu khi đang được truyền giữa những người sử dụng khác nhau trên cùng BS

- Hỗ trợ cho di động: hỗ trợ sự liền mạch an toàn cho các ứng dụng di động chịu chậm trễ, như VoIP Khi SS đăng ký thành công trong cơ sở dữ liệu hệ thống của BS, SS sẽ được cấp kết nối, nó sẽ tự nhận dạng và xác định các đặc tính của đường kết nối với BS

- Kỹ thuật dựa trên IP: WiMAX dựa trên nền tảng IP, tất cả các thiết bị đầu cuối được cung cấp trên kỹ thuật IP trên giao thức dựa trên IP để vận chuyển end to end, QoS, quản lý phiên, bảo mật và di động

- Hỗ trợ TDD và FDD: chuẩn IEEE 802.16-2004 và chuẩn IEEE 802.16-2005

hỗ trợ cả phân chia duplexing theo thời gian và theo tần suất Tất cả các cấu hình ban đầu dựa trên TDD do linh hoạt khi chọn tỷ lệ tốc độ dữ liệu up/down, khả năng khai thác kênh hai chiều thuận tiện, và thiết kế thu phát ít phức tạp

- Tiết kiệm năng lượng tiêu thụ: WiMAX hỗ trợ hai chế độ vận hành: Sleep Mode (giai đoạn trước khi trao đổi thông tin với trạm gốc, cho phép máy trạm tối thiểu năng lượng tiêu thụ và tối thiểu tài nguyên trạm BS) và Idle Mode (cung cấp cơ chế cho máy trạm để sẵn sàng một cách định kỳ nhận bản tin quảng bá mà không cần đăng ký với trạm BS xác định nào khi máy trạm di chuyển trong môi trường được phủ sóng bởi nhiều trạm BS)

- Trao đổi dữ liệu – chia sẻ tài nguyên: mạng diện rộng WAN để chia sẻ thông tin, tài nguyên của một doanh nghiệp là rất cần thiết Đối với các doanh nghiệp lớn, có các chi nhánh ở các địa bàn khác nhau thì việc sẵn sàng về cáp hữu tuyến là khó khăn trong khi đó với tính ưu việt, triển khai nhanh và đơn giản của mình thì WIMAX có thể hoàn toàn đáp ứng được điều này

- Video Streaming: hiện nay, truyền hình trực tuyến trên các thiết bị cầm tay, hoặc trên máy tính là rất phát triển, tuy nhiên với các công nghệ truy nhập hiện tại thì người sử dụng có khá nhiều khó khăn để xem tốt được vì sự hạn chế của công nghệ đường truyền, vì chất lượng dịch vụ… WIMAX với khả năng cung cấp đường truyền tốc độ cao với chất lượng tốt sẽ trở thành sự lựa chọn hợp lý

1.4 LỚP MAC TRONG WIMAX

Nhiệm vụ chính của lớp MAC trong WiMAX là cung cấp giao diện giữa lớp vận chuyển và lớp vật lý Lớp MAC lấy gói dữ liệu từ lớp trên (các gói dữ liệu được gọi là các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC – MSDUs) và sắp xếp chúng vào các đơn vị dữ liệu

giao thức MAC để truyền Tại đầu nhận, lớp MAC làm ngược lại các bước để đọc được gói dữ liệu [03] IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005 thiết kế lớp MAC bao gồm lớp con hội tụ có thể giao tiếp với giao thức ở lớp cao hơn, như ATM, thoại TDM, Ethernet, IP và giao thức khác trong tương lai Hiện nay, WiMAX ưu tiên hỗ trợ IP và Ethernet Bên cạnh việc cung cấp bản đồ đến và đi từ các lớp cao hơn, lớp con hội tụ hỗ trợ tiêu đề các đơn vị dữ liệu dịch vụ MAC để giảm chi phí quản lý lớp cao trên mỗi gói

Lớp MAC bao gồm ba lớp con: Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer), lớp con phần chung MAC (MAC Common Part Sublayer) và lớp con bảo mật (Privacy Sublayer)[03]

Hình 1.4: Cấu trúc lớp MAC

Hình 1.5: Chức năng của các lớp trong mô hình phân lớp chuẩn IEEE 802.16

1.4.1 Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ

Lớp con hội tụ chuyên biệt dịch vụ (Service Specific Convergence Sublayer) là giao diện giữa lớp con phần chung MAC và lớp vận chuyển, tiếp nhận những PDU từ lớp cao hơn, phân loại và map các MSDU vào các CID tương ứng để phục vụ cho QoS

và truyền chúng xuống lớp MAC CPS Các MSDU được truyền đến lớp MAC CPS thông qua các điểm truy nhập dịch vụ MAC (MAC SAP) [04]

Lớp con CS có nhiệm vụ thực hiện những chức năng sau:

- Nhận và thực hiện phân loại các đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) từ lớp cao hơn

- Xử lý các PDU lớp giao thức cao hơn như nén header, ánh xạ địa chỉ

- Truyền các CS PDU đến các MAC SAP thích hợp

- Nhận PDU của CS từ các thực thể cùng cấp

Phân loại và CID mapping

Lớp CS xử lý ánh xạ từ các luồng khác nhau của lớp vận chuyển đến một hoặc nhiều kết nối đã được định dạng tại lớp MAC Lớp MAC của WiMAX là hướng kết nối nên mỗi dịch vụ, bao gồm cả các dịch vụ không liên kết được ánh xạ tới ít nhất một kết nối Mỗi kết nối được định danh bằng một số định danh 16 bit (CID – Connection Identifier) Lớp CS phân loại các đơn vị dữ liệu (SDU) cho mỗi kết nối có các yêu cầu QoS thích hợp

Phân loại là quá trình các gói tin đến được gán cho các kết nối (connection) WiMAX theo yêu cầu QoS cụ thể Mỗi kết nối được liên kết với một luồng dịch vụ bởi các thông số QoS như đảm bảo độ trễ, jitter và thông lượng Phân loại bao gồm một tập hợp các giao thức chuẩn cụ thể phù hợp với mỗi gói tin (như địa chỉ IP đích, cổng giao thức vận chuyển, …) Một bộ phân loại bao gồm một số tiêu chí phù hợp với các gói giao thức cụ thể, mức ưu tiên và tham chiếu tới CID (như trong bảng 1) Nếu phù hợp, gói tin được chuyển tới SAP để giao cho các kết nối đã được xác định thông qua CID.Phân loại downlink được áp dụng bởi BS để truyền tải các gói tin, phân loại uplink được áp dụng tại các SS.[1]

Bảng 1: Cấu trúc bộ phân loại TLV thêm vào mỗi giá trị (value) truyền trong đó cókiểu (type) và độ dài (length) của tham số mã hóa Các thông số mã hóa bao gồm:

 TLV1 (Ethernet): các địa chỉ nguồn và đích, Ethertype/SAP

 TLV2 (802.1Q): phạm vi ưu tiên, VLAN ID

 TLV3 (IP): ToS Range/Mask, Protocol, Source address/mask, Destination address/mask

 TLV4 (TCP/UDP): port bắt đầu của nguồn TCP/UDP (TCP/UDP source port start), port kết thúc của nguồn TCP/UDP (TCP/UDP source port end), port bắt đầu của đích TCP/UDP (TCP/UDP destination port start), port kết thúc của đích TCP/UDP (TCP/UDP destination port end) [4]

Quá trình phân loại là một tiến trình quan trọng vì mỗi BS cùng lúc có thể đáp ứng được tương đối nhiều SS với các ứng dụng khác nhau Quá trình phân loại sẽ cấp phát những tài nguyên cần thiết cho mỗi ứng dụng

Hình 1.6: Phân loại và ánh xạ CID hướng từ BS đến SS

Hình 1.7: Phân loại và ánh xạ CID hướng từ SS đến BS

1.4.2 Lớp con phần chung MAC (CPS)

Lớp con phần chung MAC (MAC Common Part Sublayer) có nhiệm vụ chính là

để phân loại các SDU tới kết nối MAC phù hợp (như truy nhập, phân bổ băng thông, thiết lập, quản lý kết nối, phân mảnh và ghép nối các SDU và MAC PDU), yêu cầu QoS (lập lịch) Nó sẽ nhận dữ liệu từ các Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ khác nhau để phân lớp vào một kết nối MAC riêng Ngoài dữ liệu từ lớp con hội tụ, lớp MAC bổ sung thêm kết nối cho các mục đích khác: một kết nối dựa trên việc truy cập ban đầu, một cho truyền phát sóng trong DL cũng như cho các tín hiệu phát sóng dựa trên yêu cầu băng thông SS, một hoặc nhiều multicast dựa trên việc SS được dùng để tham gia yêu cầu SS Cả CS và CPS MAC đều sử dụng Sự loại bỏ tiêu đề tải trọng, sự đóng gói, sự phân mảnh để truyền với băng thông lớn hơn cơ chế truyền ban đầu Định dạng và phân loại MAC PDU

Mỗi MAC PDU chứa một tiêu đề kèm theo một payload và bộ kiểm tra mã vòng

dư CRC (Cyclic Redundancy Check) WiMAX có 02 loại PDU, mỗi loại có cấu trúc tiêu đề khác nhau [2]

- MAC PDU dữ liệu

 Tiêu đề MAC chung HT = 0

 Tải trọng là các MAC SDU, hay các phân đoạn dữ liệu từ lớp phía trên (PDU của CS), được phát trên các kết nối truyền tải

Hình 1.8: MAC PDU dữ liệu

Hình 1.9: Định dạng tiêu đề MAC chung [2]

Bảng 1: Ý nghĩa các trường tin trong tiêu đề MAC chung [2]

Mặc định HT= 0

EC 1

Ecryption Control:Bit điều khiển mã hoá EC=0: Tải trọng không được mã hoá EC=1: Tải được mã hoá

Type 6 Trường này chỉ thị các tiêu đề con và các loại tải

đặc biệt trong bản tin

CRC Indicator: Trường chỉ thị CRC (Cyclic Redundancy Check – kiểm tra lỗi dư vòng) CI=0: CRC sẽ không được thêm vào CI=1: CRC được thêm vào sau tải trọng sau khi mã hoá tải trọng

Encryption Key Sequence Chỉ mục của khóa mã hóa lưu lượng và vector khởi tạo được sử dụng để mã hóa tải trọng Chỉ có ý nghĩa khi EC = 1

LEN 11 Chiều dài MAC PDU được tính theo byte, bao

gồm cả tiêu đề và CRC (nếu có) CID 16 Connection identifier: nhận dạng của một kết nối

Được dùng để kiểm tra lỗi cho tiêu đề

Hình 1.10: Định dạng MAC PDU Các PDU từ lớp CS được chuyển đến SAP của MAC CPS của MAC sẽ thêm tiêu đề MAC (WiMAX) chung và tùy chọn CRC để SDU MAC trở thành PDU MAC Lưu lượng TCP sẽ đến nơi nhận với gói tin IP mà được đóng gói trong khung Ethernet

- MAC PDU quản lý

 Tiêu đề MAC chung với HT = 0

 Tải trọng là các bản tin quản lý MAC, được phát trên các kết nối quản lí

- MAC PDU yêu cầu băng thông

 Tiêu đề yêu cầu băng thông với HT =1

 Không có tải trọng

Hình 1.11: Định dạng tiêu đề MAC yêu cầu băng thông [2]

Bảng 2: Ý nghĩa các trường tin trong tiêu đề MAC yêu cầu băng thông

 000: yêu cầu tăng toàn bộ băng thông

 001: yêu cầu tăng dần

BR 19 Băng thông yêu cầu (SS yêu cầu cho từng CID) CID 16 Connection identifier: nhận dạng của một kết nối

Được dùng để kiểm tra lỗi cho tiêu đề

1.4.3 Lớp con bảo mật

Lớp con bảo mật (SS - Security Sublayer) chịu trách nhiệm mã hóa dữ liệu trước khi truyền đi và giải mã dữ liệu nhận được từ lớp vật lý, phân quyền và trao đổi các khóa bảo mật giữa BS (Base Station) và SS (Subcriber Station) Chuẩn IEEE 802.16 ban đầu sử dụng phương pháp DES 56 bit cho mã hóa lưu lượng dữ liệu và phương pháp mã hóa 3-DES cho quá trình trao đổi khóa Trong mạng IEEE 802.16, trạm gốc chứa 48 bit ID nhận dạng trạm gốc (không phải là một địa chỉ MAC), còn SS có 48 bit địa chỉ MAC 802.3

Lớp SS có 2 giao thức hoạt động chính:

- Giao thức đóng gói và mã hóa dữ liệu thông qua mạng băng rộng, giao thức này định nghĩa một tập bộ mật mã hỗ trợ (cặp mã hóa dữ liệu, thuật toán xác thực và các quy tắc để áp dụng các thuật toán)

- Giao thức quản lý khóa và bảo mật (PKM- Privacy and Key Management Protocol) đảm bảo an toàn cho quá trình phân phối khóa từ BS tới SS (Subcriber Station) Nó cũng cho phép BS đặt điều kiện truy nhập cho các dịch

vụ mạng

1.5 CƠ CHẾ YÊU CẦU THIẾT LẬP KẾT NỐI

Trạm BS chỉ thực hiện phát tín hiệu với các SS đã kết nối tới Vì vậy, khi SS truy cập mạng, SS sẽ cần tiến hành các bước sau để kết nối với trạm BS [1]

Hình 1.12: Quá trình khởi tạo và thiết lập kết nối [3]

- Quét và đồng bộ hóa kênh Downlink: khi một SS được cấp nguồn, nó sẽ quétcác tần số DL và lắng nghe các DL preample từ các BS, nhận biết nó nằm trong vùng phủ sóng của BS nào SS sẽ gửi yêu cầu cần đồng bộ tới BS, nếu

được chấp nhận, thông tin về BS sẽ được lưu tại SS Sau khi được đồng bộ, SS xem xét các thông tin điều khiển FCH, DCD, UCD, DL-MAP, UL-MAP và các thông số liên quan trong việc truyền DL và UL

- Các thông số uplink kết nối: dựa trên các thông số UL được giải mã từ các thông tin điều khiển, SS xác định BS nào là phù hợp với yêu cầu của nó Nếu

BS nào phù hợp, SS sẽ đọc thông tin trong UL-MAP để xem cơ hội được truyền tin

- Thực hiện ranging: tại thời điểm này, SS thực hiện ranging với những sự thay đổi về mức năng lượng để duy trì kết nối UL với BS

Hình 1.13: Quá trình thực hiện ranging

- SS thỏa thuận về băng thông yêu cầu với BS cũng như các thông tin về SS

- Đăng ký và thiết lập kết nối: BS thực hiện quá trình xác thực SS, trao đổi khóa

và tiến hành đăng ký truy nhập vào mạng Thiết lập kết nối IP, thiết lập thời gian kết nối và các thông số truyền phát

- Thiết lập luồng dịch vụ, có thể bắt đầu truyền nhận gói tin

Hình 1.14: Khời tạo luồng dịch vụ

1.5.1 Đường xuống DL

Đường xuống (DL – Down Link) là đường kết nối từ trạm phát BS đến các trạm thuê bao SS, kết nối điểm – đa điểm BS được gắn thiết bị ăng ten phân vùng Khi BS muốn truyền tin, BS sẽ truyền gói tin quảng bá, các SS trong vùng nhận tin sẽ kiểm tra địa chỉ nhận trong DL-MAP Nếu địa chỉ nhận trùng với địa chỉ của SS nào, thì SS sẽ giữ lại gói tin của chính nó, nếu không SS sẽ bỏ qua gói tin đó, và gói tin tiếp tục truyền đến SS khác Đường truyền từ BS đến các SS là đường truyền trong thời gian khung phụ truyền xuống nên BS truyền mà không cần phải điều phối với các trạm khác,do đó không có sự tranh chấp về đường truyền

- Cấp phát cho mỗi trạm (GPSS - Grant Per SubScrible): băng thông được BS cấp phát toàn bộ tương ứng theo yêu cầu của SS SS chịu trách nhiệm phân phối lượng băng thông được cấp phát cho các kết nối, duy trì mức QoS trên

các kết nối và thỏa thuận các mức dịch vụ GPSS phù hợp với hệ thống mạng

có nhiều kết nối trên mỗi trạm SS

Trong chế độ thứ hai, SS được cung cấp băng thông tổng cộng để phân bổ cho nhiều kết nối dữ liệu truyền cùng lúc trong SS

Khi SS muốn truyền, nó sẽ gửi thông điệp yêu cầu băng thông BWR (BandWidth Request) tới BS (thông báo các lớp và các thông số kỹ thuật của nó) BS nhận yêu cầu

từ các SS và thực hiện phân bổ băng thông sử dụng bộ lập lịch theo các yêu cầu QoS của các SS Khi BS muốn thông báo cho SS cơ hội yêu cầu băng thông đang đến, nó sẽ

sử dụng bản tin UL-MAP để làm việc đó UL-MAP sẽ chấp nhận băng thông đủ cho

SS hay xem xét yêu cầu băng thông của SS trong chu kỳ yêu cầu BS điều khiển truy cập mạng của UL, cấp phát yêu cầu băng thông từ SS sẽ được thực hiện trên 4 cơ chế yêu cầu băng thông cho UL sau:

- Cấp không theo yêu cầu: cấp băng thông cố định, chỉ trong giai đoạn thiết lập kết nối UL (ví dụ: dịch vụ UGS)

- Truyền unicast: băng thông phân bổ chỉ đủ cho kết nối UL truyền tải yêu cầu băng thông, nếu kết nối không có dữ liệu sẽ bỏ qua, và gây lãng phí (ví dụ: các dịch vụ rtPS, nrtPS, ertPS, BE)

- Truyền broadcast: từ BS tới tất cả các kết nối UL để gửi yêu cầu Dễ xảy ra xung đột khi hai hoặc nhiều hơn kết nối UL cùng phản hồi

- Yêu cầu piggy-backed: là yêu cầu băng tần sử dụng một tiêu đề con quản lý cấp phát để mang một yêu cầu cho băng tần thêm vào để cho cùng một kết nối trong MAC PDU, mang một bản tin Bandwidth Request cho một gói dữ liệu

Hình 1.15: yêu cầu cấp băng thông và hỗ trợ trong lớp dịch vụ BE

1.6 TDD FRAME

Chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 2 kỹ thuật: song công phân chia theo thời gian (TDD – Time Division Duplexing) và song công phân chia theo tần số (FDD – Frequency Division Duplexing) Trong chế độ FDD, các kênh uplink và downlink được phân chia trên các tần số riêng biệt, còn trong chế độ TDD, các kênh truyền chia

sẻ cùng một tần số nhưng quá trình truyền xảy ra vào các thời điểm khác nhau

MAC trong WiMAX sử dụng MPDU có độ dài thay đổi và có tính linh hoạt cho phép tăng hiệu quả truyền tải Ví dụ, nhiều MSDU có độ dài giống hoặc khác nhau được tổng hợp thành một MSDU để lưu trên lớp vật lý Tương tự, nhiều MSDU từ các dịch vụ lớp cao hơn có thể nối thành một MSDU để tiết kiệm chi phí tiêu đề MAC Ngược lại, các MSDU lớn có thể phân chia thành các MSDU nhỏ hơn và gửi qua nhiều frame

Để đáp ứng các yêu cầu QoS khác nhau từ các nguồn không đồng nhất, giao thức MAC 802.16 là hướng kết nối và kiểm soát đầu vào nghiêm ngặt Tại điểm bắt đầu khung, BS với lịch biểu băng thông DL và UL, và thời gian đáp ứng yêu cầu QoS Mọi thông tin liên quan khung phụ UL (khoảng thời gian, thời gian tranh chấp băng thông,

và các slot dữ liệu UL) được truyền đến các SS của BS trong UL-MAP tại điểm bắt đầu các khung phụ DL của mỗi khung Các SS chỉ được truyền dữ liệu trong đường truyền đã được xác định trước (các khe thời gian trong khung phụ UL) theo kiểu TDMA trong giao thức MAC

Hình 1.16: Cấu trúc khung TDD (tổng quát) [1]

Hình 1.17: Cấu trúc khung TDD (chia theo từng phần chức năng)

- Frame start: bắt đầu của mỗi khung DL, sử dụng để đồng bộ, là ký hiệu OFDM đầu tiên của khung

- DL TDMA burst: bắt đầu mỗi quá trình truyền TDMA của đoạn TDMA của khung con DL

Các SS dùng P để đồng bộ về thời gian và tần số với BS Tuy nhiên, độ dài của khung là 1-2ms, chức năng này có thể là không cần thiết, khi độ dài của các kênh không thay đổi nhiều

1.6.1.2 Frame Control Header

- Tiêu đề điều khiển khung (FCH - Frame Control Header) đứng ngay sau chuỗi kiểm tra preamble

- FCH được sử dụng để điều khiển thông tin gửi tới các SS FCH quy định cấu hình của các phần còn lại của khung như độ dài bản tin MAP, nguyên lý mã hóa, các kênh con ứng dụng

- FCH chứa Downlink Frame Prefix (DLFP), quy định cho khối DL đầu tiên của khung DL như tốc độ, độ dài DL BURST, chuỗi kiểm tra tiêu đề HCS (HCS -Header Check Sequence)

- DL-MAP: chỉ ra thời gian bắt đầu của minislots DL burst, chứa bản đồ trạng thái của DL

- UL-MAP: xác định thời gian bắt đầu của minislots UL burst, chứa thông tin chỉ định băng thông dành cho trạm SS (bảng chia khoảng thời gian các SS lần lượt được gửi)

- DCD (Downlink Channel Descriptor): miêu tả trạng thái burst đường xuống (như điều chế, mã hóa) cho mỗi burst downlink

- UCD (Uplink Channel Descriptor): miêu tả trạng thái burst đường lên ((như điều chế, mã hóa) và độ dài đầu đề cho mỗi burst uplink

- Padding: nếu thông tin chưa lấp đầy độ dài FCH thì bộ đệm được thêm vào giúp làm đầy độ dài khung và thông tin có thể được gửi đi

Chú ý: DCD và UCD có thể có hoặc không

1.6.1.3 DL-BURST

- Theo sau FCH là một hay nhiều burst downlink, mỗi burst được phát với một trạng thái burst khác nhau Mỗi burst được phát theo một lược đồ điều chế và một loại hiệu chỉnh lỗi trước, Các thông số vật lý của DL-BURST được quy định trong DUIC của DL MAP

- DL-BURST đượcsử dụng để BS truyền dữ liệu vàthông tin điều khiển tới các

SS đích

- DL-BURST #1 chứa các bản tin giám sát MAC quảng bá, nhưng nó không cần thiết sử dụng bộ điều chế hay mã hóa mạnh nhất Nếu một kiểu điều chế / mã hóa hiệu quả hơn và kiểu đó được hỗ trợ, áp dụng cho tất cả các SS của một

BS thì kiểu điều chế/ mã hóa đó sẽ được sử dụng

- Mỗi DL-BURST có các slot chứa các MAC PDU, là dữ liệu và thông tin điều khiển BS muốn gửi tới các SS Dữ liệu được mã hóa và được truyền qua bộ điều chế hiện thời của các SS riêng Mỗi MAC PDU chứa ba thành phần chính:

 MAC Header (độ dài cố định là 6 byte) có 2 loại: Generic MAC Header

và Bandwidth Request MAC Header

 MAC Payload (độ dài thay đổi)

 CRC (Cyclicc Redundancy Check): kiểm tra độ trùng khớp của các gói tin

- Trong TDMA, nếu dữ liệu của DL không lấp đầy khung con DL, quá trình truyền sẽ bị dừng => padding làm nhiệm vụ lấp đầy các chỗ trống để khung đầy và được truyền đi

Hình 1.19: Các trường trong DL/UL BURST

BS hoạt động Sau khoảng này, đầu nhận SS sẽ tìm kiếm những ký tự đầu tiên của burst uplink

Tại khoảng này, BS chuyển từ chế độ truyền (Tx) sang chế độ nhận (Rx), tức là các SS bắt đầu có thể truyền tin lên BS theo thứ tự đã được quy định tại UL-MAP trong DL-Subframe

1.6.2 TDD Uplink-subframe

Gồm nhiều khoảng thời gian khác nhau, một hoặc nhiều UL PHY PDU, từ các SS khác nhau truyền tới BS

Hình 1.20: DL Subframe [1]

1.6.2.1 Initial Ranging Opportunities

Khung TDD UL-subframe được bắt đầu bằng “Initial Ranging Opportunities” để xác định các tham số truyền dẫn chính xác, như độ lệch về thời gian và băng thông yêu cầu, đủ để SS gửi thông tin được đến BS

Quá trình thực hiện: SS gửi yêu cầu (chứa thông tin yêu cầu về băng thông, QoS) với mức năng lượng thấp nhất tới BS, nếu SS không nhận được phản hồi từ phía BS thì tức là mức năng lượng đó chưa đủ để yêu cầu tới được BS, do đó, SS sẽ gửi lại yêu cầu với mức năng lượng cao hơn và cứ thế cho đến khi nó dùng mức năng lượng tối đa

để hiệu chỉnh năng lượng truyền (giảm nhiễu) đến BS

1.6.2.2 RequestContentionOpportunities

Tại Contention Bandwidth Request, các SS tranh chấp đường truyền để gửi yêu cầu bằng các slot yêu cầu cung cấp băng thông để truyền Các SS mới muốn tham gia vào mạng hoặc SS đã có kết nối từ trước nhưng bị hoãn 1 thời gian thì xin cấp lại “lịch quy định thời gian được truyền”, độ rộng của slot được phép truyền BS nhận được yêu cầu sẽ thực hiện thủ tục phân chia băng thông mạng sau đó gửi tới các SS để các

SS biết thứ tự và tự động truyền tại TDD frame tiếp theo

1.7 KIẾN TRÚC QoS VÀ QoS SCHEDULING

Một trong những chức năng quan trọng nhất của lớp MAC trong WiMAX là đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service) theo yêu cầu cho các MAC PDU của các luồng dịch vụ khác nhau, càng đáng tin cậy càng tốt theo các điều kiện tải của

hệ thống Kiểm soát QoS mạnh hơn bằng cách sử dụng một kiến trúc MAC hướng kết nối, tất cả các kết nối downlink và uplink được kiểm soát bởi BS Trước khi bắt đầu truyền dữ liệu, BS và các SS thiết lập kết nối, giữa hai lớp MAC ngang hàng Mỗi kết nối được xác định bởi một định danh kết nối (CID – Connection Identifier), như là một địa chỉ tạm thời cho việc truyền dữ liệu qua các liên kết cụ thể

1.7.1 Kiến trúc QoS

WiMAX định nghĩa khái niệm về luồng dịch vụ Luồng dịch vụ là dòng một chiều của gói tin với một tập các thông số QoS và được xác định bởi một định danh luồng dữ liệu (SFID - Service Flow Identifier) Các thông số QoS có thể bao gồm độ

ưu tiên về lưu lượng, tốc độ lưu lượng tối đa duy trì được, tốc độ burst tối đa, kiểu lập lịch, độ trễ tổng cộng, kiểu đơn vị dữ liệu tổng dịch vụ, cơ chế yêu cầu băng thông được sử dụng, quy tắc truyền PDU Luồng dịch vụ có thể được cung cấp thông qua hệ thống quản lý mạng hoặc được tạo động thông qua các cơ chế truyền tín hiệu được định nghĩa Các BS đưa ra SFID và ánh xạ với các CID

Hình 1.21: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16

Bộ lập lịch DL tại BS: mỗi kết nối DL (với một CID riêng) có một hàng đợi gói tin tại BS Đối với mỗi khung, dựa theo các thông số QoS và trạng thái của hàng đợi,

bộ lập lịch DL tại BS lựa chọn từ hàng đợi DL các gói tin SDU tiếp theo để truyền tới

SS

Bộ lập lịch UL tại BS: Các yêu cầu băng thông được BS sử dụng để ước lượng gói tin trong hàng đợi của các kết nối UL Dựa vào sự khác nhau giữa băng thông yêu cầu và băng thông được cấp, bộ lập lịch UL của BS tính backlog trong mỗi kết nối UL,

và phân bổ băng thông UL tiếp theo dựa vào các thông số QoS của lớp dịch vụ của kết nối

Bộ lập lịch UL tại SS: mặc dù việc cấp băng thông dựa trên các yêu cầu của mỗi kết nối, BS cấp băng thông UL tổng hợp cho mỗi SS giống nhau SS không biết bao nhiêu băng thông được cung cấp bởi BS cho các kết nối của nó Do đó, bộ lập lịch SS được yêu cầu trong mỗi SS để phân phối lại theo thông số QoS của lớp dịch vụ trong mỗi kết nối

1.7.2 QoS Scheduling

Khi một kết nối giữa BS và SS được thiết lập, một loạt dịch vụ với những tham

số QoS được tạo ra cho kết nối Những thuật toán lập lịch là kỹ thuật xử lý dữ liệu để

hỗ trợ bộ lập lịch MAC cho việc truyền dữ liệu trên kết nối BS điều khiển việc lập lịch cho cả chiều uplink và chiều downlink Bộ lập lịch tính toán yêu cầu về băng thông, khoảng thời gian chờ thích hợp cấp phát băng thông cho chiều UL và chiều DL Chiều DL thực hiện truyền quảng bá và bộ lập lịch điền thông tin vào trong mỗi burst dựa trên các thông số của khung trong hàng đợi Trong chiều UL, bộ lập lịch sử dụng biểu đồ cấp phát phức tạp hơn so với yêu cầu giữa BS và các SS riêng biệt BS chứa tất cả các yêu cầu tài nguyên khả dụng Do đó, bộ lập lịch DL đơn giản hơn bộ lập lịch

UL Bộ lập lịch DL hay lập lịch UL hay bộ điều khiển đầu vào hay chính sách lưu lượng đều được quy định trong chuẩn IEEE 802.16

Mỗi dịch vụ lập lịch có cơ chế để hệ thống mạng sử dụng để cấp đường truyền lên UL và đường truyền xuống DL riêng cho các gói tin Để hỗ trợ các ứng dụng, dịch

vụ WiMAX định nghĩa 05 kiểu dịch vụ lập lịch được hỗ trợ bởi các BS MAC lập lịch

để truyền dữ liệu qua kết nối

1.7.2.1 UGS Scheduling (Unsolicited Grant Service Scheduling)

Dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS - Unsolicited Grant Service): có độ ưu tiên cao nhất, được sử dụng để hỗ trợ luồng dữ liệu thời gian thực với các gói dữ liệu có kích thước cố định với yêu cầu cao như thoại PCM và VoIP Các gói dịch vụ là đồng bộ (cố định độ dài và tốc độ dữ liệu), nên không cần SS phải yêu cầu băng thông cho mỗi gói tin, nhưng thay vì đó các BS với các thông số được xác định ngay khi kết nối Kích thước băng thông cung cấp được tính theo BS dựa trên tỷ lệ lưu lượng tối thiểu, và khoảng thời gian cung cấp gói tin đến Do BS cung cấp các khoảng cấp phát dữ liệu có kích cỡ cố định tại các khoảng thời gian định kỳ, điều này giúp loại bỏ bao phí và thời gian trễ của các yêu cầu SS Các thông số kỹ thuật QoS cho lưu lượng truy cập: tỷ lệ lưu lượng tối thiểu dành riêng, độ trễ tối đa, và độ trễtrung bình

1.7.2.2 rtPS Scheduling (Real-time Polling Service Scheduling)

Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS - Real-time Polling Service) có độ ưu tiên cao thứ hai và được sử dụng để hỗ trợ lưu lượng VBR (các gói dữ liệu có kích thước thay đổi nhưng được phát ra tại các khoảng thời gian định kỳ) với yêu cầu trễ như dòng đa phương tiện MPEG (Moving Pictures Experts Group) Dịch vụ này đòi hỏi nhiều yêu cầu cao hơn UGS nhưng hiệu quả hơn với việc kích thước các gói tin đến là không cố định giúp đạt hiệu suất vận chuyển dữ liệu thời gian thực tối ưu, BS phải poll kết nối của lớp này định kỳ (unicast polling) để hỏi băng thông cần Các thông số lưu lượng QoS: tỷ lệ tối thiểu dành cho lưu lượng, tỷ lệ lưu lượng tối đa có thể duy trì, và

độ trễ tối đa

1.7.2.3 nrtPS Scheduling (Non real-time Polling Service Scheduling)

Dịch vụ phi thời gian thực (nrtPS - Non real-time Polling Service), tương tự rtPS, ngoại trừ việc nrtPS được thiết kế dành cho lưu lượng không yêu cầu độ trễ cụ thể, như lưu lượng của FTP, mà đòi hỏi phải hỗ trợ gói tin có kích thước thay đổi Dịch vụ nrtPS giống dịch vụ BE ngoại trừ việc nrtPS có thể thêm băng thông phân bổ không theo định kỳ Trong dịch vụ nrtPS, BS cung cấp các cuộc kiểm tra vòng uplink unicast đều đặn (trong khoảng thời gian là một giây trở xuống) nhằm đảm bảo luồng dịch vụ nhận được các yêu cầu thậm chí ngay khi mạng bị tắc nghẽn Ngoài ra, SS được cho phép sử dụng các cơ hội yêu cầu tranh chấp, nghĩa là SS có thể sử dụng các cơ hội tranh chấp cũng như các cơ hội yêu cầu unicast Các thông số lưu lượng dịch vụ bắt buộc để xác định dịch vụ này là tỷ lệ tối thiểu dành riêng lưu lượng, tỷ lệ lưu lượng tối

đa có thể duy trì và độ ưu tiên lưu lượng, và chính sách/ yêu cầu truyền

1.7.2.4 BE Scheduling (Best Effort Scheduling)

Dịch vụ nỗ lực tốt nhất (BE - Best Effort) được dùng để hỗ trợ các dòng dữ liệu, chẳng hạn như duyệt web (dịch vụ HTTP và TELNET) mà không yêu cầu đảm bảo dịch vụ tối thiểu như QoS Dịch vụ BE chỉ dùng cho yêu cầu băng thông hướng kết nối SS có thể sử dụng các cơ hội tranh chấp cũng như các cơ hội yêu cầu unicast BS không có trách nhiệm kiểm tra vòng yêu cầu uplink unicast cho các SS BE Do đó, có những khoảng thời gian dài chạy mà không có gói tin BE nào được truyền, nhất là khi mạng đang ở trạng thái tắc nghẽn Số lượng các khe nhỏ trong các khung phụ UL mà các SS cần phải chia sẻ để đạt yêu cầu là cố định Sự gia tăng số lượng các khe chỉ để tăng băng thông khả dụng cho truyền tải dữ liệu Lưu lượng BE bị ảnh hưởng khi băng thông bị thiếu, sự xung đột các yêu cầu có thể làm hỏng một số khe và xảy ra tranh chấp gây ra sự chậm trễ nghiêm trọng đối với một số SS Các thông số lưu lượng dịch

vụ bắt buộc để xác định dịch vụ này là tỷ lệ lưu lượng tối đa có thể duy trì, độ ưu tiên lưu lượng, và yêu cầu / chính sách truyền

1.7.2.5 ertPS Scheduling (Extended Real-Time Polling Service Scheduling)

Bốn dịch vụ lập lịch không thích hợp cho các dịch vụ như thoại qua giao thức Internet Giải quyết vấn đề này, IEEE 802.16 giới thiệu dịch vụ lập lịch ertPT Dịch vụ thời gian thực mở rộng (ertPS Scheduling - Extended Real-Time Polling Service Scheduling) dựa vào hiệu suất của 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 UGS phân bổbăng thông cố định, còn trong ertPS, băng thông phân bổ có thể thay đổitheo thời gian, tăng hoặc giảm dựa vào trạng thái của các hàng đợi Dịch vụ ertPS thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực có tốc

độ thay đổi với những yêu cầu tốc độ dữ liệu và độ trễ (ví dụ VoIP)

Bảng 3: So sánh các thông số của các loại QoS [06]

Dịch vụ cấp phát

tự nguyện (UGS)

- Dung sai trễ tối đa

- Dung sai jitter Dịch vụ thời gian

thực (rtPS)

Audio hoặc Video - Tốc độ dành riêng tối thiểu

- Tốc độ duy trì tối đa

- Dung sai trễ tối đa

- Ưu tiên lưu lượng Dịch vụ thời gian

thực mở rộng

(ertPS)

Thoại với dò tìm hoạt động (Voice with activity Detection)

- Tốc độ dành riêng tối thiểu

- Tốc độ duy trì tối đa

- Dung sai trễ tối đa

- Dung sai jitter

- Ưu tiên lưu lượng Dịch vụ phi thời

gian thực (nrtPS)

Giao thức truyền file (FTP – File Transfer Protocol)

- Tốc độ dành riêng tối thiểu

- Tốc độ duy trì tối đa

- Ưu tiên lưu lượng Dịch vụ tốt nhất

(BE)

Truyền dữ liệu, duyệt web,…

- Tốc độ duy trì tối đa

- Ưu tiên lưu lượng

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WIMAX

Quá trình lập lịch được định nghĩa như sự cấp phát giới hạn tài nguyên cho các nhiệm vụ theo thời gian, có thể tập trung hoặc phân tán Lập lịch là một trong những quá trình quan trọng nhất trong hệ thống mạng IEEE 802.16

Định nghĩa: Trong hệ thống mạng IEEE 802.16, vấn đề lập lịch được định nghĩa

như một chuỗi các khe cắm thời gian (time slots), nơi một time slot được gán cho mỗi quá trình truyền có thể có theo cách truyền trên cùng slot là không va chạm trong khi các yêu cầu QoS được đáp ứng một cách hiệu quả và tổng thời gian để lập lịch là được giảm

Cách thông thường để phân loại cơ chế lập lịch của chuẩn IEEE 802.16 là phân loại theo kiểu tập trung hoặc phân tán Việc lập lịch thường được đề nghị cho lưu lượng truy cập mạng nội bộ (lưu lượng giữa các SS) và lưu lượng truy cập internet (lưu lượng giữa một SS và rất nhiều BS hoặc một gateway)

- Lập lịch kiểu tập trung: một trạm điều khiển và xem xét tới tất cả các nguồn tài nguyên và yêu cầu, hầu hết thời gian, ở BS và thực hiện phân chia tài nguyên

và thông báo lại SS thông qua cây lập lịch với nguồn tại BS Lập lịch kiểu tập trung bao gồm ba bước:

 B1: Tập hợp các yêu cầu băng thông từ các SS

 B2: Xác định phân bố tài nguyên

 B3: Thông báo lại hệ thống mạng

Tuy nhiên, trong lập lịch kiểu tập trung, thủ tục bắt tay ba bước là không cần thiết, do việc truyền tải dữ liệu là không va chạm Lập lịch kiểu tập trung phù hợp với mạng internet do quá trình truyền nhận liên tục, khả năng kết nối dữ liệu cao

- Lập lịch kiểu phân tán: xảy ra sự cạnh tranh để sử dụng nguồn tài nguyên sẵn

có và cần thiết phải có thủ tục bắt tay ba bước, thích hợp sử dụng trong mạng nội bộ Lập lịch kiểu phân tán chia làm 2 loại:

 Lập lịch phân tán có thể phối hợp: nhằm mục đích cung cấp miễn phí các thông tin trong quá trình truyền MSH-DSCH Tất cả các nút truyền được thông qua thuật toán giả ngẫu nhiên để các thông tin là không va chạm với các thông tin khác trong khoảng cách two-hop (hai đầu truyền – nhận) Loại hình truyền là không liên tục

 Lập lịch phân tán không phối hợp: ít tin cậy vì các thông điệp DSCH có thể va chạm với nhau Lập lịch phân phối không phối hợp

MSH-thường được sử dụng trong thiết lập nhanh mạng ad-hoc và trong các hoàn cảnh lưu lượng có vòng công suất thấp

Các thuật toán lập lịch gói tin: chia làm 2 loại

- Đối với Wireless:

 Round Robin (RR)

 Strict Priority (SS)

 Weighted Round Robin (WRR)

 Weighted Fair Queuing (WFQ)

 Các thuật toán hỗ trợ QoS cho các ứng dụng chạy thời gian thực cho hệ thống WiMAX

- Các thuật toán khác hoạt động theo cách riêng, thuật toán định dạng kỹ thuật dựa trên mức độ ưu tiên, và sao cho phù hợp với kết nối, các thuật toán khác nhau hoạt động tại các lớp khác nhau

Tuy nhiên, chuẩn IEEE 802.16 không chỉ rõ các thuật toán lập lịch dành riêng cho các dịch vụ rtPS, nrtPS và BE

2.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ

QoS (Quality of Service – Chất lượng dịch vụ) là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các phản ứng khác nhau với các kiểu luồng lưu lượng khác nhau Hay nói cách khác, QoS là khả năng cung cấp các yêu cầu chất lượng của các dịch vụ

và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ Tính năng chính của QoS là để Tìm đường qua mạng nhằm cung cấp cho dịch vụ được yêu cầu(xác định thứ tự truyền, lập lịch truyền các gói tin giữa BS và các SS) và duy trì hiệu quả hoạt động của dịch vụ.QoS được sử dụng để đảm bảo việc truyền dữ liệu với thời gian trễ tối thiểu và cung cấp băng thông cho các ứng dụng truyền thông đa phương tiện thời gian thực

Hình 2.1: Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông trong WiMAX hỗ trợ QoS

Để đảm bảo hệ thống mạng không bị thiếu băng thông, hoặc giảm chất lượng dịch vụ, thuật toán lập lịch được sử dụng.Một thuật toán lập lịch hiệu quả là cần thiết cho việc cung cấp đảm bảo QoS và nó đóng một vai trò thiết yếu trong việc xác định hiệu suất mạng

2.1.1 Yêu cầu về QoS

QoS được xác định thông qua việc kiểm tra các thông số mạng như khả năng mất gói, độ trễ, jitter và xác suất tắc nghẽn Số lượng và đặc tính của các tham số phụ thuộc vào các kỹ thuật thực thi QoS khác nhau trên mạng.Mỗi lớp dịch vụ khác nhau

có các yêu cầu về QoS khác nhau

- Băng thông (bandwidth) làgiá trị trung bình số lượng gói tin được truyền qua mạng thành công trong một giây, ký hiệu kbps hoặc Mbps Băng thông khả dụng lớn nhất của đường liên kết bằng giá trị băng thông nhỏ nhất của các đường liên kết mà gói tin đi qua

- Độ trễ (delay) là khoảng thời gian trung bình mà gói tin được truyền đi từ nơi gửi đến nơi nhận, hay còn gọi là “độ trễ đầu cuối”

- Độ trễ biến thiên (jitter) là sự khác biệt về độ trễ của các gói tin khác nhau trong cùng một luồng lưu lượng Các gói tin đến tại các thời điểm khác nhau

do thời gian xếp hàng tại hàng đợi khác nhau hoặc do các đường truyền dữ liệu khác nhau

2.1.2 Yêu cầu về lập lịch QoS tại từng tầng

Mỗi ứng dụng có các đặc tính riêng, do đó để xác định được yêu cầu chất lượng dịch vụ, hệ thống nhận biết yêu cầu thông qua các lớp dịch vụ Trong mô hình tham chiếu OSI, các tầngdịch vụ hỗ trợ QoS cụ thể như: