Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng không dây băng rộng sử dụng cơ chế OFDMA TDD

Việc nghiên cứu, sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến, đáp ứng yêu cầu QoS của người dùng trong mạng WiMAX thực sự là vấn đề cấp thiết, xây dựng một thuật toán lập lịch hiệu quả sẽ giải

trường đại học bách khoa hà nội

Quản lý tàI nguyên vô tuyến và đảm bảo

chất lượng dịch vụ trong mạng không dây băng rộng sử dụng cơ chế ofdma-tdd

trường đại học bách khoa hà nội

luận văn thạc sĩ Kỹ thuật

Quản lý tàI nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng không dây băng rộng sử dụng cơ chế ofdma-tdd

ngành : điện tử – viễn thông m∙ số: CA100074 c3.04.3898

TháI hồng lương

Người hướng dẫn: pgs.ts nguyễn hữu thanh

Hà nội 2012

Họ và tên: Thái Hồng Lương Giới tính: Nam

Sinh ngày: 7 tháng 4 năm 1972

Nơi sinh (Tỉnh mới): Thành phố Vinh – Tỉnh Nghệ An

Quê quán: Thành phố Vinh – Tỉnh Nghệ An

Chức vụ: Phó giám đốc

Đơn vị công tác: Trung tâm viễn thông Nghi Lộc – Viễn thông Nghệ An

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khối 8, Phường Đội Cung, TP.Vinh, Tỉnh Nghệ An Điện thoại CQ: 0383861209 ; Điện thoại NR: 0383854444;

Điện thoại di động: 0914516777

Fax: E-mail: thluong7472@yahoo.com.vn

II Quá trình đào tạo:

1 Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):

- Hệ đào tạo: Cao đẳng chính quy Thời gian đào tạo: từ 12/1995 đến 5/1999

- Trường đào tạo: Đại học Bách khoa Hà Nội

- Ngành học: Điện tử - viễn thông Bằng tốt nghiệp đạt loại: Trung bình

2 Đại học:

- Hệ đào tạo: Đại học tại chức Thời gian đào tạo: từ 11/2004 đến 12/2006

- Trường đào tạo: Học viện Bưu chính viễn thông – Hà Đông – Hà Nội

- Ngành học: Điện tử viễn thông Bằng tốt nghiệp đạt loại: Giỏi

3 Thạc sĩ:

- Hệ đào tạo: Thạc sỹ kỹ thuật Thời gian đào tạo: từ 4/2010 đến 04/2012

- Chuyên ngành học: Kỹ thuật Điện tử viễn thông (KT)

- Tên luận văn: Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng không dây băng rộng sử dụng cơ chế OFDMA-TDD

- Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Hữu Thanh

ảnh 4x6

III Quá trình công tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:

1/2007-8/2008 Trung tâm Viễn thông Nghi Lộc Kỹ thuật viên 9/2008- nay Trung tâm Viễn thông Nghi Lộc Phó giám đốc

IV Các công trình khoa học đã công bố:

Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật

TP.Vinh, ngày 26 tháng 3 năm 2012

NGƯỜI KHAI KÝ TÊN

Thái Hồng Lương

2010- 2012, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tôi xin cam đoan nội dung bản Luận văn hoàn toàn là kết quả tìm hiểu, nghiên cứu của bản thân trên cơ sở hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Hữu Thanh, giảng viên khoa Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà Nội Trong luận văn tôi có tham khảo một số tài liệu trong và ngoài nước và có liệt kê đầy đủ trong mục tài liệu tham khảo Luận văn không sao chép từ bất kỳ nguồn tài liệu nào Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm đối với bản luận văn của mình

Vinh, ngày 26 tháng 3 năm 2012

Người thực hiện

Thái Hồng Lương

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH 7

MỞ ĐẦU 9

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIMAX 12

1.1 Giới thiệu 12

1.2 Sự phát triển của chuẩn IEEE 802.16 12

1.3 Lớp vật lý trong IEEE 802.16 16

1.3.1 Điều chế đa sóng mang OFDM và đa truy nhập OFDMA 17

1.3.2 Các đặc tả lớp vật lý 18

1.3.3 Mã hóa và điều chế thích nghi 20

1.3.4 Hệ thống antenna thích nghi 21

1.4 Lớp MAC trong IEEE 802.16 21

1.4.1 MAC hỗ trợ lớp vật lý 23

1.4.1.1 Chế độ TDD 23

1.4.1.2 Chế độ FDD 25

1.4.2 Cơ chế truy nhập kênh truyền 26

1.4.3 Các lớp dịch vụ QoS 27

1.4.4 Kiến trúc lập lịch 28

1.4.5 Phân tập đa người dùng 30

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH 32

2.1 Thuật toán lập lịch và yêu cầu của 32

2.2 Một số thuật toán lập lịch 34

2.2.1 Thuật toán Round Robin (RR) 34

2.2.2 Thuật toán max C/I 35

2.2.3 Thuật toán Channel–Aware Round Robin (CARR) 35

2.2.4 Thuật toán Proportionate Fair Scheduling (PF) 37

2.2.5 Thuật toán cross-layer 38

2.2.6 Thuật toán lập lịch gói tin (UEPS) 40

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ LẬP LỊCH 45

3.1 Mô hình hệ thống 45

3.2 Mô hình kênh fading 46

3.3 Thuật toán lập lịch đề xuất 47

3.3.1 Hàm ưu tiên 47

3.3.2 Cấp phát khe thời gian 49

CHƯƠNG 4: THUẬT TOÁN PHÂN BỔ TẦN SỐ THÍCH ỨNG TRONG HỆ THỐNG OFDMA 50

4.1 Giới thiệu 50

4.2 Cơ cấu khung và ký hiệu 51

4.3 Tính toán 55

4.4 Thuật toán Heuristic 56

4.5 Xử lý lớp MAX và lớp PHY 61

4.6 Kết luận 64

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ ĐẶC TÍNH HOẠT ĐỘNG CỦA MỘT SỐ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH TRONG OFDMA ……… 66

5.1 Phân tích hiệu năng 66

5.1.1 Độ trễ trung bình 66

5.1.2 Thông lượng 67

5.2 Kết quả mô phỏng 68

5.2.1 Thiết lập các thông số mô phỏng 68

5.2.1.1 Mô hình kênh 68

5.2.1.2 Mô hình hệ thống 69

5.2.2 Kết quả mô phỏng 70

5.2.2.1 Phân biệt hiệu năng trễ của sơ đồ APF 70

5.2.2.2 Thông lượng của hệ thống APF 75

5.2.2.3 Tác động của Traffic load đến sơ đồ APF 77

5.2.2.4 Tác động của số SS đến sơ đồ APF 78

5.2.3 So sánh với các sơ đồ lập lịch khác 83

5.2.3.1 So sánh với RR và PF 83

5.2.3.2 So sánh với sơ đồ Cross –layer 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 92

TỪ VIẾT TẮT

AMC Adaptive modulation and Coding

APF Adaptive Proportional Fairness

BPSK Binary Phase Shift Keying

CBR Constant Bit Rate

CSI Channel State Information

DCD Downlink Channel Descriptor

FDMA Frequency Division Multiple Access

FFT fast Fourier transforms

FTP File Transfer Protocol

max C/I Macximum Carrier-to-Interference ratio

nrtPS non-real-time Polling Service

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access PDU Protocol Data Unit

QoS Quality of Service

QPSK quaternary phase shift keying

rtPS real time Polling Service

SDU Service Data Units

SNR Signal to Noise Ration

TDMA Time Division Multiple Access

UCD Uplink Channel Descriptor

VoIP Voice over IP

WLAN Wireless Local Area Networks

WiMAX Worldwide interoperability for Microwave Access

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 5 Luồng dịch vụ đến của mỗi SS 69

Bảng 6 Phân tích Ti và các giá trị tương ứng 75

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Một kiến trúc mạng IEEE 802.16 với mode PMP 16

Hình 1.7 Cấu trúc khung TDD 23

Hình 2.2 Khái niệm cứng và mềm liên quan thời gian tuyền hữu ích 40

Hình 4.1 Cấu trúc của khung trong các hệ thống IEEE 802.16 52

Hình 5.1 Giá trị hàm ưu tiên với các giá trị Ti khác nhau 71

Hình 5.2 Độ trễ trung bình với các giá trị Ti khác nhau theo Traffic load 72-74

Hình 5.3 Thông lượng của sơ đồ APF theo traffic load 76-77

Hình 5.4 Độ trễ trung bình của sơ đồ APF theo số SS 78-80

Hình 5.6 So sánh độ trễ trung bình của APF với sơ đồ RR và PF 84-85

Hình 5.7 So sánh thông lượng của APF với sơ đồ RR và PF 85

MỞ ĐẦU

Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử dụng Các thiết bị di động và truyền tải băng thông rộng ngày càng được nâng cao chất lượng, đáp ứng được nhu cầu thông tin ngày càng cao của con người WiMAX là một trong những công nghệ không dây băng rộng quan trọng và được dự đoán sẽ thay thế công nghệ băng rộng hữu tuyến truyền thống với chi phí hiệu quả Là một công nghệ nổi trội, WiMAX hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện như VoIP, FTP, video conference và game online,… Do tài nguyên vô tuyến có hạn, quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng không dây băng rộng sử dụng cơ chế OFDMA-TDD có tính quyết định đối với hệ thống WiMAX

Việc nghiên cứu, sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến, đáp ứng yêu cầu QoS của người dùng trong mạng WiMAX thực sự là vấn đề cấp thiết, xây dựng một thuật toán lập lịch hiệu quả sẽ giải quyết vấn đề tranh chấp băng thông Thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả rất to lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao đáp ứng được yêu cầu QoS cho mạng truy nhập băng rộng không dây

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một sơ đồ lập lịch QoS đơn

giản nhưng hiệu quả cho các mạng vô tuyến băng rộng đa dịch vụ mà có thể triển khai và thực hiện với chi phí thấp nhất Nghiên cứu các giới hạn trong sơ đồ lập lịch

tỷ lệ bình đẳng (PF) và đề xuất mở rộng sơ đồ PF để đảm bảo các yêu cầu QoS khác nhau theo từng loại dịch vụ trong mạng WiMAX

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn là tập trung giải quyết một số

qua các số đo hiệu năng thông lượng và độ trễ để thấy được tính linh hoạt, hiệu quả

và đơn giản của thuật toán này

Trong lĩnh vực viễn thông rộng lớn, với luận văn mang tên "Quản lý tài nguyên vô tuyến và đảm bảo chất lượng dịch vụ trong mạng không dây băng rộng

sử dụng cơ chế OFDMA-TDD" Tác giả trình bày về một kỹ thuật đã và đang được hoàn thiện để ứng dụng hiệu quả hơn trong thực tiễn - kỹ thuật OFDMA và ứng dụng điển hình của nó là công nghệ WiMAX Luận văn được chia thành 5 chương:

CHƯƠNG 1: Tổng quan về Mạng WiMAX

Chương này giới thiệu tổng quan về chuẩn IEEE 802.16 và sự phát triển của

nó, trong đó tập trung vào chuẩn 802.16d với một số đặc điểm của lớp PHY và lớp MAC được trình bày

CHƯƠNG 2: Tổng quan về thuật toán lập lịch

Chương này trình bày tổng quan các nghiên cứu liên quan trước đây về thuật toán lập lịch trong mạng không dây, qua đó nhận xét, đánh giá các thuật toán đó để

đề xuất ứng dụng trong mạng WiMAX

CHƯƠNG 3: Thiết kế bộ lập lịch

Dựa trên các thuật toán đã trình bày trong chương 2 đề xuất thuật toán lập lịch

để thoả mãn các yêu cầu chất lượng QoS trong WiMAX

CHƯƠNG 4: Thuật toán phân bổ tần số thích ứng trong hệ thống

OFDMA

Chương này trình bày tổng quan thuật toán quản lý, phân bổ nguồn tài nguyên

vô tuyến trên các lớp của mạng truy cập không dây, đảm rằng mọi tài nguyên vô

tuyến được tối ưu cung cấp các dịch vụ băng thông rộng hiệu quả nhất

CHƯƠNG 5: Đánh giá đặc tính hoạt động của một số thuật toán lập lịch trong OFDMA-TDD

Các thuật toán đề xuất, phân tích và đánh giá mô phỏng, qua đó so sánh với một số sơ đồ lập lịch khác để thấy được ưu điểm của thuật toán đề xuất

Kết luận và kiến nghị

Trình bày và đánh giá kết quả mà luận văn đạt được, đồng thời đề ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG WIMAX

Chương 1 cung cấp một cái nhìn bao quát nhất để chúng ta có thể nắm được các đặc tính của lớp MAC và lớp PHY được xác định trong chuẩn IEEE 802.16 Cụ thể hơn, chương này sẽ đề cập đến các dịch vụ lập lịch khác nhau, các cơ chế truy nhập kênh truyền và kiến trúc lập lịch trong WiMAX

1.1 Giới thiệu

Trước khi chuẩn IEEE 802.16 được giới thiệu, cách hiệu quả nhất để truy nhập được các dịch vụ Internet băng rộng chủ yếu là thông qua đường E1/T1, đường dây thuê bao số (DSL) hay kết nối qua modem cable Tuy nhiên, cơ sở hạ tầng mạng hữu tuyến chi phí lớn đáng kể, đặc biệt là triển khai trong các vùng nông thôn và vùng miền núi Giới hạn này đã thúc đẩy giới công nghiệp đưa ra ý tưởng thay thế mạng truy nhập Internet đang tồn tại và tiếp cận thực hiện nó thông qua môi trường không dây Chuẩn IEEE 802.16 cung cấp đặc điểm kỹ thuật cho giao diện không gian của lớp PHY và lớp MAC Chuẩn này chứa các chi tiết về các đặc điểm đa dạng hỗ trợ lớp PHY và các đặc tính của lớp MAC như cơ chế yêu cầu băng thông

1.2 Sự phát triển của chuẩn IEEE 802.16

Nhóm cộng tác IEEE 802.16 là cơ quan chịu trách nhiệm đối với sự phát triển chuẩn IEEE 802.16 và các mở rộng của nó Phần này sẽ cung cấp một cách khái quát vài chức năng quy định trong chuẩn IEEE 802.16 và các phiên bản bổ sung của

nó Sau đây là thứ tự theo thời gian của một số chuẩn đã công bố và nội dung tương ứng của chúng

2001 là khả năng cung cấp chất lượng dịch vụ khác nhau ở lớp vật lý (PHY) Một

mã nhận dạng luồng dịch vụ (Service Flow ID) sẽ thực hiện kiểm tra QoS Các luồng dịch vụ này được mô tả bởi các thông số QoS như thời gian trễ tối đa, hay lượng jitter cho phép Các luồng dịch vụ này có thể được tạo ra bởi trạm phát sóng

BS hay thuê bao SS IEEE 802.16 - 2001 chỉ hoạt động trong môi trường tầm nhìn thẳng (LOS) và với các thiết bị CPE ngoài trời

Chuẩn IEEE 802.16a

Năm 2003, IEEE đưa ra chuẩn không dây 802.16a [3] để cung cấp khả năng truy cập băng rộng không dây ở đầu cuối, sử dụng băng tần 2-11 GHz với khoảng cách kết nối tối đa có thể đạt tới 50 km trong trường hợp kết nối điểm-điểm và 7-10

km trong trường hợp kết nối điểm - đa điểm Tốc độ truy nhập có thể đạt tới 70 Mbps Trong khi với dải tần 10-66Ghz chuẩn 802.16 phải yêu cầu tầm nhìn thẳng (LOS) thì với dải tần 2-11Ghz chuẩn 802.16a cho phép kết nối mà không cần thoả mãn điều kiện tầm nhìn thẳng (NLOS), tránh được tác động của các vật cản trên đường truyền như cây cối, nhà cửa Chuẩn này sẽ giúp ngành viễn thông có các giảI

pháp như cung cấp băng thông theo yêu cầu, với thời gian thi công ngắn hay băng thông rộng cho hộ gia đình mà công nghệ thuê bao số hay mạng cáp không tiếp cận được

IEEE 802.16a bao gồm cả đặc tả lớp PHY và cải tiến lớp MAC cho khả năng truyền dẫn đa đường và giảm tối đa nhiễu Các đặc tính được thêm vào cho phép sử dụng kỹ thuật quản lý năng lượng cao cấp hơn, và dãy anten thích nghi Phương pháp ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM) cung cấp thêm một sự lựa chọn cho phương pháp điều chế đơn sóng mang Để cung cấp một kỹ thuật giảm thiểu can nhiễu trong các mạng không dây hiện nay, IEEE 802.16a cũng định nghĩa thêm phương pháp điều chế đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access – OFDMA) trong phạm vi dải tần 2 – 11 GHz

Vấn đề bảo mật cũng được cải tiến, với rất nhiều đặc trưng lớp con riêng biệt được đưa thêm vào Các đặc tính riêng biệt được sử dụng để nhận thực tác nhân gửi của một thông điệp MAC nào đó IEEE 802.16a cũng đưa thêm các tuỳ chọn hỗ trợ cho mạng Mesh, ở những nơi mà lưu lượng có thể được định tuyến từ SS tới SS Đây là sự thay đổi từ chế độ PMP, khi mà lưu lượng chỉ được phép truyền giữa BS

và SS Sự bổ sung những đặc tả lớp MAC thích hợp cho phép việc lập lịch truyền dẫn giữa các SS của mạng Mesh mà không cần phải có sự kiểm soát của BS

Chuẩn IEEE 802.16c

Chuẩn IEEE 802.16c [4] được đưa ra vào tháng 9 năm 2002 Chuẩn được nâng cấp lên từ chuẩn 802.16 – 2001, nó cho phép công nghệ này hoạt động trong dãi tần cấp phép từ 10GHz đến 66GHz Việc mở rộng rõ ràng xác định các tính năng bắt buộc và tuỳ chọn của công nghệ để thực hiện và sự tương kết được rõ ràng Sự bổ sung này cũng đưa ra một số vấn đề như đánh giá hiệu năng, thử nghiệm và định hình chi tiết hệ thống cùng với việc hỗ trợ thêm một số tính năng như hệ thống đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO)

Chuẩn IEEE 802.16-2004

Chuẩn IEEE 802-16-2004 [5] được chính thức phê chuẩn vào 07/2004 và được công bố rộng rãi vào tháng 9/2004 Sự mở rộng của chuẩn này với tên gọi phổ biến

là “WiMAX cố định”, là sự kết hợp của các chuẩn 802.16a và 802.16c với một vài sửa đổi, bổ sung Chuẩn này hỗ trợ cả song công theo thời gian (TDD) và song công theo tần số (FDD), hỗ trợ cả hai dải tần số 10-66GHz cho hoạt động trong môi trường tầm nhìn thẳng và dải tần 2-11GHz cho hoạt động trong môi trường không theo tầm nhìn thẳng Bộ tiêu chí của sản phẩm như được quy định trong chuẩn, sử dụng OFDM 256-FFT Một trong những cải tiến của chuẩn này là ghép đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) và đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) để giảm bớt tổng thể lớp MAC Sự mở rộng này cung cấp một cải thiện đáng kể cho cơ chế thăm dò Nó cho phép SS được thăm dò riêng hay thăm dò trong nhóm và nó cũng cho phép các yêu cầu băng thông kèm thêm trên các gói dữ liệu, do đó làm giảm sự xung đột và phí tổn hệ thống

Chuẩn IEEE 802.16e

Chuẩn 802.16e [6] được đưa ra vào tháng 11 năm 2005 Chuẩn này được biết với tên gọi “WiMAX di động”, nó hỗ trợ thêm tính di động cho công nghệ Việc mở rộng này vẫn bảo toàn các khuôn dạng công nghệ của “WiMAX cố định” trong khi

bổ sung thêm sự hỗ trợ cho truy nhập không dây băng rộng di động Chuẩn quy định sử dụng công nghệ OFDMA với sự hỗ trợ cho bộ tiêu chí hệ thống: 2000-FFT, 1000FFT, 512-FFT và 128-FFT Công nghệ OFDMA cho phép tín hiệu được chia thành nhiều kênh con để tăng khả năng chịu nhiễu đa đường Đặc tả trong chuẩn, về

lý thuyết có thể hỗ trợ thiết bị di động di chuyển với tốc độ lên đến 120km/h, cung cấp truy cập băng rộng không dây trong phạm vi 50 km cho trạm cố định và 15 km cho trạm di động

Chuẩn IEEE 802.16f

Chuẩn IEEE 802.16f [7] hiện nay đang tích cực hiệu chỉnh với dự định hỗ trợ

cơ sở thông tin quản lý (MIB-Management Information Base ) MIB là một cơ sở

dữ liệu của thông tin sử dụng cho việc quản lý tất cả các thiết bị trong mạng Việc

mở rộng nhằm mục đích cung cấp một mô tả chi tiết của giao thức cho việc quản lý thông tin giữa các trạm thuê bao (SS) và trạm gốc (BS)

Chuẩn IEEE 802.16g

Chuẩn IEEE 802.16g [8] hiện đang được phát triển và nó nhằm mục đích cải

thiện các cơ chế cùng tồn tại hoạt động miễn cấp phép Hơn nữa, việc mở rộng là cố gắng tìm cách tiếp cận để cho phép sự cùng tồn tại giữa các mạng truy nhập cố định không dây hoạt động trong dải tần miễn cấp phép, chủ yếu là dải tần 5GHz Bên cạnh các chuẩn đã trình bày trên thì các chuẩn IEEE 802.16h, IEEE 802.16i, IEEE 802.16j, IEEE 802.16k, IEEE 802.16m cũng đang được nghiên cứu và hoàn thiện Các chuẩn này chủ yếu tập trung vào một số kỹ thuật tiên tiến như các giao thức quản lý mạng, hỗ trợ multihop relay, cải tiến tốc độ dữ liệu

Luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu dựa trên chuẩn 802.16, được phổ biến với tên gọi là “WiMAX di động”, nó cung cấp băng thông lên đến 70Mbps, không

hỗ trợ tính di động Sự bổ sung của chuẩn 802.16 là hướng tới cung cấp dịch vụ truy nhập Internet băng rộng đến các khu dân cư và các tòa nhà thương mại Chúng ta chỉ tập trung vào một số đặc tính cơ bản của giao thức lớp MAC và PHY của IEEE 802.16, đó là cần thiết cho việc thiết kế thuật toán lập lịch đường xuống trong kiến trúc mạng WiMAX Trong các phần tiếp theo sẽ trình bày một vài đặc tính chính của lớp PHY và lớp MAC được quy định trong chuẩn 802.16

Hình 1.1 Một kiến trúc mạng IEEE 802.16 với mode PMP

1.3 Lớp vật lý trong IEEE 802.16

Mục đích của lớp vật lý là vận chuyển dữ liệu trong môi trường vật lý Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, lớp vật lý được định nghĩa cho vùng tần số từ 2 đến 66GHz với vùng từ 10-66GHz cho truyền sóng trong tầm nhìn thẳng (LOS) và vùng

từ 2-11GHz cho khả năng truyền sóng không theo tầm nhìn thẳng (NLOS) Yếu tố

cơ bản của công nghệ trong lớp PHY của WiMAX là ghép kênh phân chia theo tần

số trực giao (OFDM) và đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) OFDM là kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang đã được phổ biến gần đây cho việc truyền dữ liệu tốc độ cao trong mạng không dây và nó đã được sử dụng phổ biến trong các hệ thống băng rộng thương mại như DSL, Wi-Fi, Digital Video Broadcast-Handheld (DVB-H) và MediaFLO bên cạnh WiMAX Trong phần này sẽ trình bày khái quát OFDM và các vấn đề khác của lớp vật lý

1.3.1 Điều chế đa sóng mang OFDM và đa truy nhập OFDMA

OFDM là kỹ thuật điều chế đa sóng mang Kỹ thuật này có thể đạt được tốc độ

dữ liệu rất cao, chống nhiễu giao thoa ký tự ISI (Inter – symbol Interference) và giải quyết được vấn đề tín hiệu đa đường Kỹ thuật này về cơ bản là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, nó dựa trên ý tưởng chia luồng dữ liệu tốc độ cao thành nhiều luồng dữ liệu tốc độ thấp song song và điều chế mỗi luồng trên các sóng mang con trực giao với nhau Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang con này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường Hình 1.2 minh hoạ sự kết hợp, đa truy nhập phân chia thời gian và tần số [35]

Hình 1.2 IEEE 802.16 PHYs: SC OFDM và OFDMA

OFDMA là công nghệ đa sóng mang phát triển từ công nghệ OFDM, ứng dụng như một công nghệ đa truy nhập OFDMA hỗ trợ các nhiệm vụ của các song mang con đối với các thuê bao nhất định Trong OFDMA một số các sóng mang con không nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel)

và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu cụ thể OFDMA có một số ưu điểm như tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định được cải thiện Bằng việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp nào, do đó sẽ giảm thiểu tác động như ảnh hưởng đa truy nhập MAI

Trong IEEE 802.16, quy trình truyền dữ liệu lớp vật lý của OFDM và OFDMA được minh họa trong hình 1.3 và hình 1.4 Các khối hầu như giống nhau chỉ thêm vào khối lặp (Repetition) trong OFDMA Khối Modulation gồm 1 trong 4 loại điều chế số BPSK, QPSK, 16–QAM và 64–QAM Những symbol được điều chế sau đó được truyền trên những sóng mang phụ trực giao OFDM

trên kỹ thuật đơn sóng mang hay OFDM Các biến thể của nó được mô tả như sau:

WirelessMAN-OFDM: Đặc tả này dựa vào công nghệ OFDM và được thiết kế

chủ yếu cho các SS cố định và hoạt động NLOS ở các dải tần số dưới 11GHz

Lược đồ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao sử dụng 256 sóng mang và

đa truy nhập của các SS khác nhau dựa vào đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Lớp PHY OFDM hỗ trợ kênh con hóa đường lên với 16 kênh con Nó cũng hỗ trợ cấu trúc khung TDD và FDD, với hỗ trợ cho các SS cả FDD và H-FDD (half-frequency division duplex) Sơ đồ điều chế được hỗ trợ là BPSK, QPSK, 16-QAM và 64-QAM

WirelessMAN-OFDMA: Đặc tả này dựa trên công nghệ OFDMA hoạt động ở

các dải tần số dưới 11GHz, nó cung cấp kênh con hóa cả đường lên và đường xuống Lớp PHY OFDMA hỗ trợ các cấu trúc khung TDD và FDD, với các tuỳ chọn FDD

và H-FDD

WirelessHUMAN: Đặc tả này của lớp vật lý tương tự như lớp vật lý dựa trên

OFDM ngoại trừ nó tập trung vào các thiết bị hạ tầng thông tin quốc gia không cấp phép (UNII) và các dãi tần không cấp phép khác

WirelessMAN-SC: Đặc tả này xác định việc sử dụng công nghệ trong dải tần

10-66GHz Lớp PHY thiết kế để hỗ trợ kiến trúc điểm - đa điểm, theo đó BS hoạt động điều phối cho tất cả các SS trong tế bào của nó Trong thiết kế này, BS truyền tín hiệu theo kiểu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) trong đó các SS được cấp phát các khe thời gian một cách nối tiếp Để cho phép sử dụng phổ mềm dẻo, đặc tả này hỗ trợ cả FDD và TDD Hai công nghệ này sử dụng một định dạng truyền dẫn burst mà cấu trúc khung của nó hỗ trợ burst profiles thích nghi, ở đó các tham số truyền, bao gồm cả sơ đồ điều chế và mã hoá được điều chỉnh riêng cho từng SS trên cơ sở từng khung một

WirelessMAN-SCa: WirelessMAN-SCa dựa vào công nghệ điều chế đơn sóng

mang và được thiết kế cho hoạt động NLOS ở các dải tần từ 2-11GHz Nó hỗ trợ cho cả cấu trúc khung FDD và TDD với TDMA sử dụng trong đường lên và TDM hay TDMA trong đường xuống Đặc tả lớp PHY bao gồm mã hóa sửa lỗi tiến (FEC) cho cả đường lên và đường xuống, cấu trúc khung cho phép cải thiện việc ước

lượng chất lượng kênh hoạt động trên NLOS

1.3.3 Mã hóa và điều chế thích nghi

Mục đích chính của mã hoá và điều chế thích nghi (Adaptive Modulation and Coding - AMC) là bù đắp cho kênh vô tuyến mất ổn định do ảnh hưởng của các hiện tượng như fading, che khuất WiMAX hỗ trợ các sơ đồ điều chế và mã hóa khác nhau và cho phép sơ đồ này thay đổi trên từng bó dữ liệu dựa trên mỗi liên kết, phụ thuộc vào điều kiện kênh truyền Bằng cách sử dụng bộ chỉ thị chất lượng kênh thông tin phản hồi, SS có thể cung cấp cho BS thông tin phản hồi chất lượng kênh trong đường xuống Đối với đường lên, BS có thể ước lượng chất lượng kênh dựa trên tín hiệu thu Bộ lập lịch trạm BS có thể xét đến chất lượng kênh đường lên và đường xuống của mỗi người dùng và ấn định sơ đồ điều chế và mã hóa sao cho thông lượng đạt cực đại đối với SNR có sẵn Mã hóa và điều chế thích nghi làm tăng đáng kể dung lượng tổng thể của hệ thống vì nó cho phép cân bằng thời gian thực giữa thông lượng và độ bền vững trên mỗi liên kết

Sơ đồ điều chế được định nghĩa trong chuẩn IEEE 802.16 trong các đường xuống và đường lên là BPSK, PSK(QPSK), 16- QAM, và 64 -QAM

Bảng 1 Các chế độ truyền trong IEEE 802.16-2004

Điều chế Tỉ lệ mã W(bit/symbol) Ngưỡng SNR bộ thu (dB)

Cho tỉ lệ lỗi bít (BER) ít hơn 10-6, thuật toán lựa chọn chế độ truyền dẫn tối

ưu phù hợp như trên bảng 1 [5] AMC đã được sử dụng để cung cấp truyền dữ liệu

tốc độ cao theo nhiều chuẩn của mạng không dây, như IEEE 802.11/16 và 3GPP/3GPP2 [9]

Hình 1.5 Điều chế thích nghi trong IEEE 802.16

1.3.4 Hệ thống antenna thích nghi

Hệ thống anten thích nghi (Adaptive antenna systems – AAS) là một phần tùy

chọn trong chuẩn 802.16 Chúng có các thuộc tính tạo tia mà có thể hướng sự tập trung vào một hoặc nhiều hướng xác định Điều này có nghĩa là trong khi truyền, tín hiệu có thể bị giới hạn tới hướng yêu cầu của bộ thu như một tia sáng Ngược lại khi thu, hệ thống AAS có thể được thiết kế để chỉ tập trung vào hướng tín hiệu đến Chúng cũng có đặc tính khử nhiễu đồng kênh từ các trạm khác Các hệ thống AAS được coi là sự phát triển trong tương lai và thậm chí có thể cải tiến đế tái sử dụng lại phổ và dung lượng của mạng WiMAX

1.4 Lớp MAC trong IEEE 802.16

Nhiệm vụ cơ bản của lớp MAC là cung cấp một giao diện giữa lớp vật lý và các lớp truyền tải cao hơn Lớp MAC mang các gói tin từ các lớp cao, các gói tin được gọi là đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) và tổ chức chúng vào đơn vị dữ liệu giao thức MAC (PDU) để truyền qua không gian Ðối với phía thu, để nhận được dữ liệu

truyền lớp MAC thực hiện ngược lại

Trong IEEE 802.16 lớp MAC được chia thành 3 lớp con: Lớp con hội tụ dịch

vụ chuyên biệt (MAC CS), lớp con phần chung (MAC CPS) và lớp con bảo mật Ba lớp con này tương tác với nhau thông qua điểm truy cập dịch vụ SAP (Service Access Point) (Hình 1.6)

Lớp con hội tụ chuyên biệt về dịch vụ (CS) cung cấp bất cứ việc chuyển đổi

hoặc ánh xạ từ các mạng mở rộng khác như ATM, Ethernet, thông qua điểm truy nhập dịch vụ SAP Chính xác hơn, lớp này làm nhiệm vụ chuyển đổi các gói tin từ các định dạng của mạng khác thành các gói tin định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp CPS Cũng tại đây sẽ diễn ra sự phân lớp dịch vụ của các mạng ngoài

để ánh xạ vào một dịch vụ thích hợp trong 802.16

Lớp con phần chung ( MAC CPS) là độc lập của cơ chế truyền tải, là lớp trung

tâm cung cấp các chức năng chính của lớp MAC, đó là chức năng như quản lý kết nối, phân phối băng thông, yêu cầu và cấp phát, thủ tục truy nhập hệ thống, lập lịch, điều khiển kết nối và ARQ Truyền thông giữa CS và CPS được các điểm truy nhập dịch vụ MAC (MAC SAP) duy trì Thiết lập, thay đổi, xóa kết nối và truyền tải dữ liệu trên các kênh là bốn chức năng cơ bản trong quá trình truyền thông tại lớp này

Hình 1.6 Lớp MAC của WiMAX với SAP

Lớp con bảo mật (MAC CPS) cung cấp tính năng nhận thực, trao đổi khóa bảo

mật, và mật mã hóa dữ liệu Lớp này thực hiện việc mã hóa dữ liệu trước khi truyền

đi và giải mã dữ liệu nhận được từ lớp vật lý

1.4.1 Hỗ trợ lớp vật lý MAC

Sự khác biệt cơ bản của giao thức lớp MAC là các kỹ thuật song công của đường lên và đường xuống Sự lựa chọn giữa hai công nghệ song công này có những ảnh hưởng nhất định đến tham số lớp PHY cũng như tác động đến các đặc tả

hỗ trợ của MAC Lớp MAC trong IEEE 802.16d hỗ trợ một cấu trúc khung với hai chế độ truyền song công TDD và FDD

1.4.1.1 Chế độ TDD

Cấu trúc khung TDD được minh họa trong hình 1.7 Truyền đường lên và đường xuống xảy ra ở các thời điểm khác nhau và thường chia sẻ cùng tần số Một khung TDD có chu kỳ cố định và chứa một khung con đường xuống và một khung con đường lên được phân cách nhau bởi khoảng trống Khung được chia thành một

số nguyên các khe thời gian vật lý, giúp cho phân chia dải thông dễ dàng

Hình 1.7 Cấu trúc khung TDD

TTG (Transmit/Receive Transition Gap) là khoảng trống phân cách dữ liệu

giữa khung con đường xuống và khung con đường lên Độ dài cho phép của khung là: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 và 20ms

- Khung con đường xuống (DL Subframe)

Hình 1.8 Cấu trúc khung con đường xuống TDD

Khung con đường xuống là một đơn vị giao thức dữ liệu lớp vật lý (PHY PDU) đường xuống Nó bao gồm mào đầu (preamble) dùng cho đồng bộ khung, một header điều khiển khung (FCH- Frame control header), và một hoặc nhiều burst

dữ liệu đường xuống Mỗi burst dữ liệu đường xuống bao gồm một hoặc nhiều MAC PDUs và có độ dài bằng một số nguyên lần độ dài của symbol OFDM Cấu trúc một khung con đường xuống được mô tả trong hình 1.8

- Khung con đường lên (Uplink Subframe)

Khung con đường lên bao gồm một hoặc nhiều PHY PDU của các SS khác nhau Mỗi PHY PDU có một mào đầu và một burst dữ liệu Cũng như ở đường xuống, mỗi burst dữ liệu bao gồm một hoặc nhiều MAC PDU, có độ dài bằng một

số nguyên lần độ dài của symbol OFDM Cấu trúc một khung con đường lên được

mô tả trong hình 1.9

RTG (Receive/Transmit Transition Gap) là khoảng trống phân cách dữ liệu

đường lên và đường xuống của khung tiếp theo

Hình 1.9 Cấu trúc khung con đường lên TDD

1.4.1.2 Chế độ FDD

Các kênh đường lên và đường xuống được đặt ở các tần số tách biệt và dữ liệu đường xuống có thể được truyền theo trong các burst Một khung chu kỳ cố định được sử dụng cho các truyền dẫn đường lên và đường xuống Điều này thuận tiện cho sử dụng các loại điều chế khác nhau, và cũng cho phép đồng thời sử dụng cả các SS song công và các SS bán song công Nếu các SS bán song công được sử dụng, trình điều khiển dải thông sẽ không chỉ định dải thông cho một SS bán song công ở cùng thời điểm mà nó được trông mong để nhận dữ liệu ở kênh đường xuống, bao gồm hạn định cho phép trễ truyền, khoảng hở truyền dẫn giữa các trạm thuê bao thu / phát SSRTG( Subscriber Station Receive / Transmit Transition Gap),

và khoảng hở truyền dẫn giữa các trạm thuê bao phát / thu SSTTG (Subscriber Station Transmit / Receive Transition Gap) Cấu trúc khung FDD được mô tả trong hình 1.10

Đối với các vấn đề nhiễu, TDD yêu cầu sự đồng bộ hóa hệ thống diện rộng

Tuy nhiên, TDD được thường ưu tiên ở chế độ song công vì những lý do sau:

• TDD cho phép điều chỉnh tỷ lệ DL/UL để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng bất đối xứng giữa đường lên và đường xuống, trong khi với FDD, đường lên và đường xuống luôn được giữ cố định, và thông thường băng thông đường lên và đường

• Bộ thu phát được thiết kế cho việc thực hiện TDD cũng đơn giản hơn và do vậy đỡ tốn kém hơn

1.4.2 Cơ chế truy nhập kênh truyền

Trong WiMAX, lớp MAC tại BS chịu hoàn toàn trách nhiệm về cấp phát băng thông cho tất cả người dùng trong cả đường xuống và đường lên Thời điểm duy nhất SS có vài kiểm soát toàn bộ băng thông cấp phát là khi nó có nhiều phiên hay nhiều kết nối với BS Trong trường hợp này BS cấp phát băng thông đến SS trong một bộ kết tập (aggregate), và phân phối đến SS giữa nhiều kết nối Đối với đường xuống, BS có thể cấp phát băng thông cho mỗi SS dựa trên nhu cầu của lưu lượng

đến chứ không có sự liên quan nào với SS Đối đường lên việc cấp phát phảI dựa trên các yêu cầu từ SS

Chuẩn WiMAX hỗ trợ một số cơ chế mà mỗi SS có thể yêu cầu và nhận được băng thông đường lên Tùy thuộc vào từng loại QoS riêng biệt và các thông số lưu lượng kết hợp với mỗi lớp dịch vụ, một hay nhiều cơ chế này có thể được sử dụng bởi SS BS cấp phát riêng hay chia sẻ tài nguyên định kỳ đến mỗi SS mà nó sử dụng

để yêu cầu băng thông, quá trình này được gọi là thăm dò (polling) Thăm dò có thể được thực hiện riêng (unicast) hay theo nhóm (multicast) Thăm dò multicast được thực hiện khi thiếu băng thông để thăm dò trên mỗi SS riêng Khi thăm dò được thực hiện trong multicast, khe thời gian cấp phát để thực hiện yêu cầu băng thông là khe dùng chung trong đó mọi SS thăm dò đều cố gắng để sử dụng

WiMAX định nghĩa một cơ chế truy nhập và giải quyết tranh chấp cho trường hợp khi nhiều hơn một SS cố gắng sử dụng chung khe Nếu nó đã có một cấp phát cho lưu lượng gửi đi, SS không bị thăm dò Thay vào đó, nó được phép yêu cầu thêm băng thông bởi: (1) phát đơn vị dữ liệu giao thức MAC (MAC PDU) yêu cầu băng thông độc lập, (2) gửi một yêu cầu băng thông sử dụng định vị kênh, hay (3) yêu cầu băng thông kèm thêm trong các gói MAC tổng quát

1.4.3 Các lớp dịch vụ QoS

Hỗ trợ QoS là một phần cơ bản của thiết kế lớp MAC trong WiMAX Điều khiển QoS năng động được thực hiện bằng cách sử dụng kiến trúc MAC hướng kết nối, ở đó các đường lên và đường xuống được điều khiển bởi BS phục vụ Trước khi truyền dữ liệu xảy ra, BS và SS thiết lập một liên kết logic theo một hướng xác định giữa hai lớp MAC ngang hàng, gọi là một kết nối Mỗi kết nối được xác định bởi một nhận dạng kết nối (CID) phục vụ như một địa chỉ tạm thời cho các dữ liệu được truyền đi qua một liên kết cụ thể

WiMAX cũng định nghĩa một khái niệm về luồng dịch vụ Luồng dịch vụ là một luồng đơn hướng của các gói tin với một bộ các tham số QoS riêng biệt và được xác định bởi một giá trị nhận dạng luồng dịch vụ SFID (Service Flow Identifier) 32 bit Các thông số QoS có thể bao gồm: lưu lượng ưu tiên, tốc độ lưu

lượng duy trì tối đa, tốc độ cực đại bó dữ liệu, tốc độ tối thiểu cho phép, kiểu lập lịch, kiểu ARQ, độ trễ cực đại, biến động trễ cho phép, kiểu đơn vị dữ liệu và kích

cỡ dịch vụ, cơ chế yêu cầu băng thông để sử dụng, quy tắc cấu tạo PDU truyền đi… Luồng dịch vụ có thể được cung cấp thông qua hệ thống quản lý mạng hoặc tạo ra linh động thông qua các cơ chế báo hiệu được xác định trong chuẩn Trạm BS chịu trách nhiệm cho các vấn đề SFID và ánh xạ nó đến một CID duy nhất

Để hỗ trợ nhiều loại ứng dụng, WiMAX định nghĩa bốn lớp dịch vụ lập lịch được hỗ trợ bởi bộ lập lịch MAC trạm BS cho việc truyền tải dữ liệu qua một kết nối Bốn lớp dịch vụ đó là:

• UGS (Unsolicited Grant Service): Được thiết kế để hỗ trợ dịch vụ Constant Bit Rate (CBR), là loại dịch vụ được sử dụng bởi các kết nối yêu cầu băng thông cố định và khả dụng liên tục trong thời gian kết nối Dịch vụ CBR thường được dùng cho các ứng dụng thời gian thực yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ và suy hao Ví dụ các kết nối T1/E1, ứng dụng VoIP

• rtPS (Real-time Polling Service): Được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian thực trên các kết nối yêu cầu nghiêm ngặt về độ trễ nhưng lại không yêu cầu băng thông cố định, kích thước gói biến đổi Ví dụ: các luồng audio/video…

• nrtPS (Non-Real-time Polling Service): Được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu không đòi hỏi thời gian thực và độ trễ, với kích thước gói biến đổi và tốc độ dữ liệu tối thiểu đảm bảo Ví dụ: giao thức truyền tải file FTP, các dịch vụ ATM GFR (ATM Guaranted Frame Rate)…

• BE (Best Effort): Được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thông thường không đòi hỏi thời gian thực cũng như độ trễ Ví dụ: dịch vụ duyệt Web, email Mỗi một đơn vị lập lịch dịch vụ là một tập các quy tắc được áp đặt trên bộ lập lịch của trạm BS Mỗi một kết nối tương ứng với một dịch vụ dữ liệu riêng, đi kèm với các tham số QoS tương ứng và được thương lượng tại thời điểm thiết lập kết nối

1.4.4 Kiến trúc lập lịch

Lớp MAC trong WiMAX định nghĩa các cơ chế báo hiệu chất lượng dịch vụ

và các chức năng điều khiển việc truyền dữ liệu giữa BS và SS Trong đường xuống

việc truyền thông tương đối đơn giản vì BS là thành phần duy nhất truyền trong các khung con đường xuống, các gói tin được quảng bá tới mọi SS dựa trên cơ chế ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM) và các SS chỉ nhận các gói tin có địa chỉ đích

là nó Trong khi đó đường lên được chia sẻ bởi nhiều SS dựa trên cơ chế đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), ở đó băng thông được chia thành các khe thời gian và mỗi một khe thời gian được chỉ định cho một trạm SS riêng lẻ đang được BS phục vụ

Bộ lập lịch BS chịu trách nhiệm toàn bộ điều khiển truy nhập cho các thuê bao

ở đường xuống hay đường lên, bởi vì tại SS có nhiều kết nối khác nhau nên bộ lập lịch đường lên được yêu cầu trong mỗi SS (hình 1.11) Để chỉ rõ việc ấn định khoảng cách truyền đường lên và đường xuống trong mỗi khung, BS phát bản tin quản lý lớp MAC Downlink Map (DL-Map) và Uplink map (UL-MAP) tương ứng cho các khung con đường xuống và khung con đường lên Các bản tin này được phát tại lúc bắt đầu của mỗi khung con đường xuống UL-MAP chứa đựng các phần

tử thông tin, các phần tử thông tin chứa các cơ hội truyền, nghĩa là các khe thời gian

mà SS có thể truyền trong khung con đường lên Sau khi nhận được bản tin quản lý UL-MAP, mỗi SS sẽ truyền dữ liệu trong các khe thời gian đã định nghĩa trong các phần tử thông tin Mô đun lập lịch đường lên tại BS xác định các phần tử thông tin dựa trên yêu cầu băng thông mà SS gửi tới

Hình 1.11 Lập lịch gói tại BS và SS

1.4.5 Phân tập đa người dùng

Phân tập đa người dùng được đưa vào để đối phó kênh fading biến đổi theo thời gian trong hệ thống đa người dùng [24] Trong WiMAX, bởi vì nhiều người dùng với điều kiện kênh khác nhau và biến đổi theo thời gian nên xác suất cao mà một hoặc vài người dùng có đường liên kết tốt với BS trong khi một số người dùng khác có đường liên kết xấu Bằng cách thích nghi với điều kiện kênh, thông lượng của hệ thống có thể tăng lên thông qua cơ hội lập lịch Điều này có liên quan đến

mã hóa và điều chế thích nghi, mà hệ thống có thể phục vụ một số lượng lớn người dùng phân bố ngẫu nhiên với kênh fading độc lập Trong trường hợp này, thông lượng tối đa hệ thống có thể đạt cực đại bằng cách phục vụ các người dùng với điều kiện kênh tốt nhất khi truyền Cấu trúc bộ lập lịch đường xuống được mô tả như trên hình 1.12

Hình 1.12 Cấu trúc bộ lập lịch gói đường xuống

Mặc dù thuật toán đề xuất được trình bày dành cho lập lịch đường xuống, song

ý tưởng này có thể mở rộng để truyền dữ liệu cho đường lên

Kết luận chương: Những nội dung trình bày ở chương 1 đã cho chúng ta một

cái nhìn tổng quát về đặc tính lớp MAC và PHY trong chuẩn IEEE 802.16, qua đó chúng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc nghiên cứu quản lý tài nguyên trong mạng băng rộng không dây, đặc biệt nghiên cứu các thuật toán lập lịch Tầm quan trọng của thuật toán lập lịch cho mạng băng rộng không dây và chi tiết một số thuật toán lập lịch tiêu biểu được trình bày trong chương sau

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH

Thuật toán lập lịch đóng vai trò quan trọng đối với hiệu năng tổng thể của hệ thống mạng băng rộng không dây trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ Mặc dù

có nhiều thuật toán lập lịch đã được đề xuất cho mạng WiMAX nhưng việc thiết kế các thuật toán này là một thách thức như sự hỗ trợ cho các mức dịch vụ khác nhau,

sự công bằng, thông lượng hệ thống cũng như độ phức tạp trong thực hiện Chương này sẽ trình bày chi tiết một số thuật toán lập lịch và tầm quan trọng của nó đối với mạng băng rộng không dây

2.1 Thuật toán lập lịch và yêu cầu

Lập lịch là một khái niệm quan trọng trong hệ thống máy tính đa nhiệm và trong thiết kế hệ điều hành đa xử lý, và thiết kế hệ thống hoạt động trong thời gian thực [26] Nó đề cập đến cách thức mà trong đó các quá trình được ấn định các ưu tiên trong hàng đợi Sự ấn định này được thực hiện bởi phần mềm được gọi là bộ lập lịch

Trong mạng băng rộng không dây, lập lịch gói tin đóng vai trò quan trọng trong quá trình giải quyết tranh chấp băng thông và chia sẻ tài nguyên trong mạng Quá trình này thực hiện việc cấp phát băng thông giữa các người dùng và xác định thự tự truyền Thuật toán lập lịch cho một mạng cụ thể được lựa chọn dựa trên loại người dùng trong một mạng và các yêu cầu QoS của chúng Các yêu cầu QoS khác nhau tuỳ thuộc vào loại ứng dụng/người dùng khác nhau Đối với các ứng dụng thời gian thực như video conference, voice chat, audio/video streaming thì độ trễ và độ biến thiên trễ là các yêu cầu QoS quan trọng nhất Mặc khác, đối với các ứng dụng không thời gian thực như truyền file (FTP) thì thông lượng là yêu cầu QoS quan trọng nhất Một vài ứng dụng như duyệt web, email thì không yêu cầu bất cứ QoS nào

Trong một mạng, các loại ứng dụng khác nhau với các yêu cầu QoS khác nhau

có thể cùng tồn tại Nhiệm vụ của một thuật toán lập lịch trong mạng đa lớp là chia loại người dùng vào trong các lớp đã định nghĩa, mỗi người dùng ấn định một ưu

tiên có tính đến các yêu cầu QoS Sau đó băng thông cấp phát theo các ưu tiên của người dùng cũng như đảm bảo sự công bằng giữa họ được duy trì

Đối với mạng WiMAX, quản lý tài nguyên vô tuyến cần phải chia sẻ giữa nhiều người dùng và thuật toán cấp phát băng thông phải được thiết kế sao cho tận dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến khan hiếm Bên cạnh các vấn đề liên quan đến các yêu cầu QoS của người dùng, việc thiết kế một thuật toán lập lịch cũng phụ thuộc vào loại mạng dành cho nó Một trong những đặc tính mong muốn mà thuật toán lập lịch phải có và những vấn đề cần được giải quyết bởi các thuật toán bao gồm :

Tính linh hoạt: Một thuật toán lập lịch phải có khả năng cung cấp người dùng

với các yêu cầu QoS khác nhau và cũng có thể đáp ứng được các yêu cầu tối thiểu của người dùng Một cách lý tưởng, việc thiết kế một thuật toán lập lịch phải đủ linh hoạt để nó đòi hỏi những thay đổi tối thiểu cho việc triển khai trong các mạng khác nhau hoặc thậm chí với các công nghệ khác nhau

Tính đơn giản: Thuật toán lập lịch cần phải đơn giản, nhanh chóng và sử dụng

tài nguyên bộ nhớ nhỏ nhất Trong mạng tốc độ cao, quá trình ra quyết định lập lịch

và quá trình cấu hình lại để đáp ứng với bất kỳ biến đổi trạng thái mạng phải hoàn thành rất nhanh Do đó lượng thời gian có sẵn cho bộ lập lịch là hạn chế, thuật toán lập lịch có độ phức tạp thấp là cần thiết

Tính bảo vệ: Một thuật toán lập lịch cần phải có khả năng bảo vệ người dùng

có hành vi tốt từ các nguồn lưu lượng biến đổi như lưu lượng BE (Best effort), người dùng có hành vi xấu và sự biến động trong tải mạng Khi đăng nhập vào mạng, người dùng nhập vào một thỏa thuận mức dịch vụ (SLA - service level agreement) rằng họ sẽ tham gia vào (như tốc độ dữ liệu trung bình, tốc độ tối đa) Đôi khi một người dùng sẽ không tuân theo SLA, gây ra sự biến động lưu lượng không lường trước trong mạng Một thuật toán lập lịch cần phải đảm bảo rằng những biến động như vậy không ảnh hưởng đến người dùng có hành vi tốt trong mạng

Tính công bằng: Bên cạnh việc thỏa mãn các yêu cầu QoS của người dùng,

một thuật toán lập lịch cần phải đảm bảo rằng mức hợp lý của sự công bằng được

duy trì trong số những người dùng Sự công bằng đo được là khác nhau giữa người các người dùng đối với tài nguyên cấp phát cho họ Trong mạng không dây, do sự hiện diện của những thay đổi trong chất lượng kênh, những người dùng trải qua chất lượng kênh kém có thể bị từ chối phục vụ bởi thuật toán lập lịch Điều này là do băng thông cấp phát cho người dùng với chất lượng kênh kém về cơ bản nguyên nhân chính như dữ liệu bị lãng phí, bị mất hoặc bị lỗi trước khi đến đích Một thuật toán lập lịch cần có một cơ chế đền bù người dùng đã bị mất, phục vụ và duy trì sự công bằng giữa tất cả các người dùng

Băng thông sử dụng: Do tài nguyên trong mạng không dây là giới hạn nên

việc sử dụng băng thông hiệu quả là quan trọng nhất trong thiết kế thuật toán lập lịch Thuật toán thiết kế phải sử dụng kênh hiệu quả, nghĩa là bộ lập lịch không nên

ấn định khe thời gian truyền cho một kết nối với điều kiện kênh xấu

Hiệu suất năng lượng và điều khiển năng lượng: Bộ lập lịch cần xem xét cấp

phát năng lượng lớn nhất BER và SNR mà BS có thể cho phép để dữ liệu được truyền Bộ lập lịch có thể tính toán công suất phù hợp cho mỗi người dùng phụ thuộc vào việc định tuyến Với người dùng di động, do công suất bị giới hạn, vì vậy

bộ lập lịch cần phải tối ưu công suất truyền dẫn

Khả năng ( Scalability): Bộ lập lịch cần hoạt động hiệu quả khi số lượng kết

nối tăng lên

2.2 Một số thuật toán lập lịch

2.2.1 Thuật toán Round Robin (RR)

Round Robin là một trong những thuật toán đơn giản nhất được thiết kế đặc biệt cho hệ thống chia sẻ theo thời gian, ở đó bộ lập lịch ấn định các khe thời gian trong hàng đợi là như nhau và không có ưu tiên Sau 1 lần hàng đợi được phục vụ,

nó sẽ không phục vụ lại cho đến khi tất cả các trạm thuê bao SS được phục vụ RR

có thể cung cấp tài nguyên truy nhập công bằng tại các hàng đợi, và mọi hàng đợi đều được cấp phát tài nguyên hệ thống như nhau bất chấp điều kiện kênh truyền Tuy nhiên bộ lập lịch RR có hiệu quả băng thông như nhau như là bộ lập lịch ngẫu nhiên, do đó nó không đảm bảo các yêu cầu QoS khác nhau cho mỗi hàng đợi

2.2.2 Thuật toán max C/I

Bộ lập lịch tối đa tỷ số tín hiệu trên nhiễu (max C/I) [13] phục vụ người dùng với tốc độ dữ liệu tức thời cao nhất tại mỗi khoảng thời gian truyền Tại bắt đầu mỗi khoảng thời gian truyền, bộ lập lịch so sánh mức C/I của tất cả người dùng đang hoạt động và cấp phát kênh truy nhập cho người dùng có mức C/I cao nhất Rõ ràng,

sơ đồ này đạt tối đa thông lượng hệ thống bằng cách chọn người sử dụng với điều kiện kênh tốt Tuy nhiên, nhược điểm chính của thuật toán này là nó không phân phối công bằng tài nguyên hệ thống và người dùng với điều kiện kênh xấu liên tục

có thể không được lựa chọn trong khe truyền dẫn chung

Hình 2.1(a) biểu diễn một ví dụ về thuật toán RR và hình 2.1(b) biểu diễn trường hợp của thuật toán max C/I, các tốc độ dữ liệu hỗ trợ được ký hiệu là H(high), M(medium) và L(low) Bộ lập lịch RR cấp phát một khe thời gian cho mỗi người dùng Bất chấp chất lượng kênh tức thời, khe thời gian đầu tiên ấn định cho người dùng 1, khe thời gian thứ hai được ấn định cho người dùng 2 và khe thời gian thứ ba được ấn định cho người dùng 3 Mặc dù mỗi người dùng được nhận một khe thời gian nhưng chất lượng của các khe thời gian là nghèo Trong khi đó bộ lập lịch max C/I cấp phát các khe thời gian chất lượng tốt nhất cho người dùng, tuy nhiên sự cấp phát là không cân bằng Người dùng 1 nhận hai khe thời gian chất lượng tốt trong khi người dùng 2 không được ấn định khe thời gian nào

2.2.3 Thuật toán Channel–Aware Round Robin (CARR)

Bộ lập lịch này được đề xuất bởi Hung-yu Wei [14] để ứng dụng cho lập lịch lưu lượng đường xuống trong hệ thống HSPDA Bộ lập lịch CARR được kết hợp các đặc tính tốt từ bộ lập lịch Round Robin và max C/I CARR đạt được sự công bằng người dùng trong giới hạn của các khe thời gian và tài nguyên vô tuyến cấp phát thích nghi theo cách nhận biết kênh Vòng gán của CARR là độ chi tiết thời gian của cơ chế đảm bảo QoS Giả sử có N người dùng đầu cuối trong hệ thống,

khoảng thời gian ấn định của vòng là T khe thời gian (giả sử T > N), thuật toán lập

lịch sẽ đảm bảo rằng mỗi người dùng được ấn định một hoặc nhiều khe thời gian