LỜI MỞ ĐẦU

Khi thế giới bước vào kỷ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải thông tin

băng rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử

dụng. Trong vài năm lại đây, sự bùng nổ WiMAX (Worldwide Interoperability for

Microwave Access) – tên thương mại của chuẩn 802.16 với nghĩa là khả năng tương tác

toàn cầu với viba – đã tạo ra sự quan tâm rất lớn đối với những người trong ngành và các

cơ quan chuyên môn.

Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như là

khả năng truyền dẫn tốc độ cực cao, chất lượng dịch vụ tốt, an ninh đảm bảo, dễ dàng lắp

đặt…chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX là một tất yếu.

WiMAX truyền tải tốc độ dữ liệu cao nhờ công nghệ không dây bằng sóng viba theo

họ chuẩn 802.16. Nó được xây dựng trên nền tảng ghép kênh phân chia theo tần số trực

giao OFDM và lớp MAC linh hoạt, mềm dẻo…

Trải qua các giai đoạn phát triển, họ 802.16 được đưa ra nhiều chuẩn công nghệ như

là 802.16a, 802.16b, 802.16c, 802.16d, 802.16e, 802.16g…tuy nhiên hiện nay các nhà

khai thác đang thử nghiêm và sử dụng chủ yếu là họ chuẩn 802.16e do đây là họ chuẩn

phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như là thiêt bị di động, thiết bị cầm

tay, và cả thiết bị cố định…chuẩn tấn số WiMAX khá rộng và đa dạng, nhưng theo

khuyến khích thì tần số sử dụng cho WiMAX tốt nhất ở các dải tần như là: 2,3GHz, 2,4

GHz 2,5 GHz, 3,3 GHz, 3,5 GHz, 3,7 GHz, và 5,8 GHz. Đây là tần số áp dụng tốt nhất

cho chuẩn 802.16e.

Khóa luận được chia thành 5 chương. Chương 1 giới thiệu chung về WiMAX.

Chương 2 trình bày về chuẩn IEEE 802.16, tập trung vào các lớp giao thức trong chuẩn:

lớp PHYsical, lớp MAC. Chương 3 là phần trọng tâm trình bày về thuật toán yêu cầu-cấp

phát băng thông động dựa trên phản tiếp kép. Chương 4 là phần mô phỏng và chương 5 là

phần kết luận.

Khóa luận này nghiên cứu về một công nghệ truy cập mạng không dây còn rất mới

và do thời gian hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai sót. Em rất mong nhận được

những ý kiến đóng góp xây dựng của Thầy, Cô và các bạn để có thể phát triển hướng

nghiên cứu của mình.

1

LỜI CẢM ƠN

Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến các thầy giáo, cô giáo và các bạn đã giúp đỡ

em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp. Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến

GS.TSKH Nguyễn Đình Thông, người trực tiếp hướng dẫn em làm khóa luận này !

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 19/5/2009

Sinh viên

Phan Thanh Tùng

2

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................1LỜI CẢM ƠN...........................................................................................................2MỤC LỤC.................................................................................................................3HÌNH VẼ...................................................................................................................5CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về WiMAX.................................................9

1.1. Tổng quan về WiMAX..................................................................................91.2. Đặc điểm nổi bật của công nghệ WiMAX..................................................91.3. Quá trình phát triển các chuẩn WiMAX..................................................10

CHƯƠNG 2 Chuẩn IEEE 802.16.................................................................122.1. Lớp giao thức trong IEEE 802.16..............................................................12

2.1.1 Lớp PHYsical.....................................................................................132.1.1.1 Cơ bản về OFDM.........................................................................142.1.1.2 Cơ bản về OFDMA.......................................................................172.1.1.3 Các hình thức kênh con (subchannelization)................................192.1.1.4 Mã hóa và điều biến thích nghi (AMC)........................................21

2.1.2 Đặc trưng lớp MAC của IEEE 802.16.............................................222.1.2.1 Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng(CS)..........................................222.1.2.2 Lớp con phần chung ( MAC CPS)................................................242.1.2.3 Lớp con an ninh............................................................................32

2.1.3 Cấu trúc của MAC frame TDD........................................................332.1.3.1 Frame con Downlink OFDM PHY...............................................332.1.3.2 Frame con Uplink OFDM PHY....................................................35

2.2 Luồng dịch vụ và các lớp dịch vụ...........................................................352.2.1 Service Flow......................................................................................352.2.2. Classes of service................................................................................37

2.3. Kiểu kiến trúc QoS và QoS Scheduling..................................................372.3.1. Kiến trúc QoS....................................................................................372.3.2. QoS Scheduling..................................................................................38

2.3.2.1 UGS scheduling............................................................................392.3.2.2 rtPS scheduling.............................................................................402.3.2.3 nrtPS scheduling...........................................................................402.3.2.4 BE scheduling...............................................................................402.3.2.5 ErtPS scheduling...........................................................................40

3

CHƯƠNG 3 Thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động dựa trên phản tiếp kép.......................................................................................................41

3.1. Giới thiệu......................................................................................................413.2. Kiến trúc QoS của IEEE 802.16..........................................................43

3.2.1. Cơ cấu lập lịch (Scheduling framework).........................................433.2.2 Kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông uplink...............................44

3.3 Thuật toán yêu cầu băng thông động....................................................453.3.1 Cơ sở thiết kế......................................................................................45

3.3.1.1. Giới thiệu về mục tiêu trễ (target delay).......................................453.3.1.2 Phương pháp phản tiếp kép (dual feedback)...............................47

3.3.2. Thuật toán và các vấn đề thực thi....................................................493.4. Phân tích thuật toán..............................................................................51

3.4.1. Mô hình hệ thống...............................................................................513.4.2. Ảnh hưởng của những tham số điều khiển.....................................523.4.3. Phân tích tính ổn định.......................................................................53

CHƯƠNG 4 Mô phỏng sử dụng Matlab....................................................544.1 Thuật toán cải tiến....................................................................................544.2 Mô phỏng...................................................................................................55

CHƯƠNG 5 Kết luận..........................................................................................60

4

HÌNH VẼ

Hình 2.1: Mô hình OSI bảy lớp cho các ứng dụng. Trong WiMAX/802.16 chỉ 2 lớp

đầu tiên được định nghĩa..........................................................................................12

Hình 2.2: Các lớp giao thức của chuẩn BWA 802.16..............................................13

Hình 2.3: So sánh sóng OFDM với các hình thức truyền thống..............................15

Hình 2.4: Chèn thêm tuần tố vòng (Cyclic Prefix)..................................................16

Hình 2.5: Khác nhau giữa OFDM và OFDMA........................................................18

Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA...........................................................19

Hình 2.7: Kênh con phân tập tần số DL...................................................................20

Hình 2.8: Cấu trúc tile cho UL PUSC......................................................................20

Hình 2.9: Bán kính cell............................................................................................22

Hình 2.10: Phân loại và ánh xạ CID. Nguyên lý như nhau cho cả hai chiều: BS đến

SS và SS đến BS......................................................................................................23

Hình 2.11: Cấu trúc khung TDD của WiMAX........................................................34

Hình 2.12: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16............................................................38

Hình 2.13: Việc lập thời biểu DL và UL của BS.....................................................39

Hình 3.1: Một vài hàm để tính toán băng thông bổ sung yêu cầu phụ thuộc vào

chiều dài hàng đợi....................................................................................................47

Hình 3.2: Đáp ứng xung của hệ thống với những giá trị khác nhau của tham số

điều khiển.................................................................................................................52

Hình 4.1: Đáp ứng xung của hệ thống với Ta=0.02, Cr=0.25, Kq=0.2............Error!

Bookmark not defined.

5

Hình 4.2: Đáp ứng xung của hệ thống với Ta=0.02, Cr=0.15, Kq=0.2............Error!

Bookmark not defined.

Hình 4.3: Đáp ứng xung với Ta=0.01, Cr=0.25, Kq=0.2........Error! Bookmark not

defined.

Hình 4.4: Đáp ứng xung với Ta=0.01, Cr=0.15, Kq=0.2.......Error! Bookmark not

defined.

Hình 4.5: Ảnh hưởng của Kq tới tính ổn định..........Error! Bookmark not defined.

Hình 4.6: Ảnh hưởng của Kr tới tính ổn định..........Error! Bookmark not defined.

6

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

AMC Adaptive Modulation and Coding

BE Best Effort

BER Bit Error Ratio

BS Base Station

BPSK Binary Phase Shift Keying

CID Connection Identifier

DS-CDMA Direct-Sequence Code Division Multiple Access

ertPS Extended Real-Time Polling Service

FDD Frequency division duplexing

FFT Fast Fourier Tranform

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IFFT Inverse Fast Fourier Tranform

LDPC Low-density parity-check

LLC Logical Link Control

LOS Line of Sight

MAC Media Access Control

MIMO Multi input multi output

7

NLOS Non line of sight

nrtPS Non-Real-Time Polling Service

OFDM Orthogonal frequency-division multiplexing

OFDMA Orthogonal Frequency Division Multiple Access

OSI Open Systems Interconnection

PDA Personal Digital Assistant

PDU Protocol data unit

PMP Point-to-multipoint

QAM Quadrature Amplitude Modulation

QoS Quality of service

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

rtPS Real-Time Polling Service

SNR Signal-to-Noise Ratio

SS Subscriber Station

TDD Time division duplexing

TDMA Time division multiple access

UGS Unsolicited Grant Service

WiFi Wireless Fidelity

WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access

WMAN Wireless Metropolitan Area Network

8

CHƯƠNG 1

Giới thiệu chung về WiMAX

1.1. Tổng quan về WiMAX

WiMAX là tên thương mại của chuẩn IEEE 802.16. Ban đầu chuẩn này được tổ

chức IEEE đưa ra nhằm giải quyết các vấn đề kết nối cuối cùng trong một mạng không

dây đô thị WMAN hoạt động trong tầm nhìn thẳng (Line of Sight) với khoảng cách từ 30

tới 50 km. Nó được thiết kế để thực hiện đường trục lưu lượng cho các nhà cung cấp dịch

vụ Internet không dây, kết nối các điểm nóng WiFi, các hộ gia đình và các doanh

nghiệp….đảm bảo QoS cho các dịch vụ thoại, video, hội nghị truyền hình thời gian thực

và các dịch vụ khác với tốc độ hỗ trợ lên tới 280 Mbit/s mỗi trạm gốc. Chuẩn IEEE

802.16-2004 hỗ trợ thêm các hoạt động không trong tầm nhìn thẳng tại tần số hoạt động

từ 2 tới 11 GHz với các kết nối dạng mesh (lưới) cho cả người dùng cố định và khả

chuyển. Chuẩn mới nhất IEEE 802.16e, được giới thiệu vào ngày 28/2/2006 bổ sung thêm

khả năng hỗ trợ người dùng di động hoạt động trong băng tần từ 2 tới 6 GHz với phạm vi

phủ sóng từ 2 - 5 km. Chuẩn này đang được hy vọng là sẽ mang lại dịch vụ băng rộng

thực sự cho những người dùng thường xuyên di động với các thiết bị như laptop, PDA

tích hợp công nghệ WiMAX.

1.2. Đặc điểm nổi bật của công nghệ WiMAX

WiMAX đã được tiêu chuẩn hoá ở IEEE 802.16. Hệ thống này là hệ thống đa truy

cập không dây sử dụng công nghệ OFDMA có các đặc điểm sau :

- Khoảng cách giữa trạm thu và phát có thể tới 50km

- Tốc độ truyền có thể thay đổi, tối đa 70Mbit/s.

- Hoạt động trong cả hai môi trường truyền dẫn: đường truyền tầm nhìn thẳng LOS

(Line of Sight) và đường truyền bị che khuất NLOS (Non line of sight).

- Dải tần làm việc 2-11GHz và từ 10-66GHz hiện đã và đang được tiêu chuẩn hoá.

9

- Trong WiMAX hướng truyền tin được chia thành hai đường lên và xuống. Đường

lên có tần số thấp hơn đường xuống và đều sử dụng công nghệ OFDM

- WiMAX sử dụng điều chế nhiều mức thích ứng từ BPSK, QPSK đến 256-QAM

kết hợp các phương pháp sửa lỗi dữ liệu như ngẫu nhiên hoá, với mã hoá sửa lỗi Reed

Solomon, mã xoắn tỷ lệ mã từ 1/2 đến 7/8.

- Độ rộng băng tần của WiMAX từ 5MHz đến trên 20MHz được chia thành nhiều

băng con . Với công nghệ OFDMA, cho phép nhiều thuê bao có thể truy cập đồng thời

một hay nhiều kênh một cách linh hoạt để đảm bảo tối ưu hiệu quả sử dụng băng tần.

- Cho phép sử dụng cả hai công nghệ TDD (time division duplexing) và FDD

(frequency division duplexing) cho việc phân chia truyền dẫn của hướng lên (uplink) và

hướng xuống (downlink).

- Hệ thống WiMAX được phân chia thành 4 lớp con : Các lớp này tương đương với

hai lớp dưới của mô hình OSI và được tiêu chuẩn hoá để có thể giao tiếp với nhiều ứng

dụng lớp trên .

1.3. Quá trình phát triển các chuẩn WiMAX

- 802.16a : Chuẩn này sử dụng băng tần có bản quyền từ 2 - 11 GHz. Đây là băng

tần thu hút được nhiều quan tâm nhất vì tín hiệu truyền có thể vượt được các chướng

ngại trên đường truyền. 802.16a còn thích ứng cho việc triển khai mạng Mesh mà trong

đó một thiết bị cuối (terminal) có thể liên lạc vớiBS thông qua một thiết bị cuối khác. Với

đặc tính này, vùng phủ sóng của 802.16a BS sẽ được nới rộng.

- 802.16b: Chuẩn này hoạt động trên băng tần từ 5 – 6 Ghz với mục đích cung ứng

dịnh vụ với chất lượng cao (QoS). Cụ thể chuẩn ưu tiên truyền thông tin của những ứng

dụng video, thoại, real-time thông qua những lớp dịch vụ khác nhau (class of service).

Chuẩn này sau đó đã được kết hợp vào chuẩn 802.16a.

- 802.16c : Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dãi băng tần từ 10-

66GHz với mục đích cải tiến interoperability.

- 802.16d : Có một số cải tiển nhỏ so với chuẩn 802.16a. Chuẩn này được chuẩn hóa

2004. Các thiết bị pre-WiMAX có trên thị trường là dựa trên chuẩn này.

10

- 802.16e : Đặc điểm nổi bật của chuẩn này là khả năng cung cấp các dịch vụ di

động. IEEE 802.16e hay là một chuẩn mở rộng (amendment) của chuẩn 802.16-2004,

thường được gọi là WiMAX di động (Mobile WiMAX) vì nó có khả năng đáp ứng dịch

vụ cho người dùng di động thông qua các giao thức chuyển giao. 802.16e dùng kỹ thuật

đa truy nhập SOFDMA; sử -dụng kỹ thuật MIMO và AAS để cải thiện vùng phủ và

năng suất; mã Turbo và LDPC để tăng tính an toàn và cải thiện hiệu năng của

NLOS.

Bảng 1 :So sánh các chuẩn 802.16

802.16 802.16a 802.16d 802.16e

Phổ

(GHz)

10 – 66 2 – 11 2 – 11 2 – 6

Cấu hình Trực xạ Không

trực xa

Không

trực xạ

Không

trực xạ

Tốc độ

bit

32 – 134

Mbps

Kênh 28

MHz

75 Mbps

Kênh 20

MHz

<=70

MHz

Kênh 20

MHz

15 Mbps

(max 75 Mbps)

Kênh 5

MHz

Điều chế

QPSK,

16QAM,

64QAM

OFDM

256 sóng mang

con

QPSK ,16QA

M ,64QAM

OFDM

256 sóng mang

con, BPSK

QPSK ,16QA

M ,64QAM

OFDM

512/1024/2048

BPSK,QPSK ,

16QAM ,64Q

AM

Tính di

dộng

Cố định Cố định Cố định Di động

Băng 20, 25 ,28 1.5 tới 20 1.25 tới 1.5 tới 20

11

thông (MHz) 20

Bán kính

cell

2 – 7 km 7-10 km

max 50

2 -7 km 2 -7 km

CHƯƠNG 2

Chuẩn IEEE 802.16

2.1. Lớp giao thức trong IEEE 802.16 [6] [7]

Chuẩn IEEE 802.16 áp dụng mô hình 7 lớp OSI. Mô hình OSI phân chia các chức

năng của những giao thức khác nhau thành một loạt các lớp ( layer)

Hai lớp thấp nhất là lớp Physical (PHY) hoặc lớp 1 và lớp Data Link hoặc lớp 2.

IEEE 802 tách lớp Data Link OSI thành 2 lớp con có tên là Logical Link Control (LLC)

và Media Access Control (MAC).

Hình 2.1: Mô hình OSI bảy lớp cho các ứng dụng. Trong WiMAX/802.16 chỉ 2

lớp đầu tiên được định nghĩa

12

Lớp PHY tạo nối kết vật lý giữa 2 thực thể giao tiếp ( các thực thể ngang hàng),

trong khi lớp MAC có trách nhiệm thiết lập và bảo trì nối kết ( đa truy nhập,

scheduling, . . .).

Chuẩn IEEE 802.16 xác định giao diện không khí ( air interface) của một hệ thống

BWA cố định hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện (multimedia). Lớp Medium Access

Control (MAC) hỗ trợ một cấu trúc chủ yếu point-to-multipoint (PMP) với một topo

mạng lưới tùy chọn. Lớp MAC được tạo cấu trúc để hỗ trợ nhiều lớp vật lý (PHY) được

xác định trong cũng một chuẩn. Thực tế, chỉ hai trong các lớp đó được sử dụng trong

WiMAX.

Hình 2.2: Các lớp giao thức của chuẩn BWA 802.16

Cấu trúc các lớp giao thức được định nghĩa trong WiMAX/802.16 được minh họa

trong hình 2.2. Có thể thấy rằng chuẩn 802.16 định nghĩa chỉ 2 lớp thấp nhất, lớp

PHYsical ( vật lý) và lớp MAC vốn là phần chính của lớp Data Link ( liên kết dữ liệu).

Bản thân lớp MAC gồm 3 lớp con, CS (Convergence Sublayer), CPS (Common Part

Sublayer) và Security Sublayer.

2.1.1 Lớp PHYsical

WiMAX sử dụng công nghệ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex).

Ưu điểm quan trọng của OFDM là khả năng mang lại hiệu suất băng thông cao hơn và do

13

đó thông lượng dữ liệu sẽ cao hơn ngay cả khi hoạt động trong môi trường kết nối NLOS

(None Line of Sight) hay điều kiện đa đường. Trong chuẩn IEEE 802.16-2004, tín hiệu

OFDM được chia thành 256 sóng mang, còn chuẩn IEEE 802.16e sử dụng phương thức

SOFDMA (Scalable Orthogonal Frequency Division Multiple Access). Chuẩn IEEE

802.16 hỗ trợ một phạm vi rộng các tần số hoạt động và lớp vật lý có thể thực hiện một

vài phương thức điều chế và ghép kênh. Phương thức điều chế tại đường xuống và đường

lên có thể là BPSK, QPSK, 16-QAM hoặc 64 QAM.

Chuẩn IEEE 802.16 hỗ trợ cả 2 phương thức song công là TDD và FDD. Trong cơ

chế TDD, khung đường xuống và đường lên chia sẻ một tần số nhưng tách biệt về mặt

thời gian. Trong FDD, truyền tải các khung đường xuống và đường lên diễn ra cùng một

thời điểm, nhưng tại các tần số khác nhau.

Độ dài khung có thể là 0.5, 1, 2ms. Trong TDD, phần khung được chỉ định cho

đường xuống và phần khung chỉ định cho đường lên có thể có độ dài khác nhau. Đường

lên sử dụng phương thức đa truy nhập TDMA, ở đó băng thông được chia thành các khe

thời gian. Mỗi một khe thời gian được chỉ định cho một MS (trạm di động) riêng lẻ đang

được BS (trạm gốc) phục vụ. Một khung con đường xuống thường chứa 2 phần. Một phần

dành cho thông tin điều khiển, chứa mào đầu nhằm đồng bộ và ánh xạ khung và các dữ

liệu khác. Một ánh xạ đường xuống (DL_MAP) ấn định vị trí bắt đầu và các thuộc tính

truyền dẫn của các cụm dữ liệu. Một ánh xạ đường lên (UL_MAP) chứa thông tin chỉ

định băng thông dành cho trạm di động SS.

2.1.1.1 Cơ bản về OFDM

WIMAX sử dụng công nghệ OFDM để truyền dữ liệu ở giao diện vô tuyến và cho

phép các thuê bao truy nhập kênh. Cũng có nhiều công nghệ khác ở giao diện này như

FDM, CDMA. Tuy nhiên OFDM đã chứng tỏ nó có những ưu điểm hơn rất nhiều về tốc

độ truyền, tỷ lệ lỗi bit, cũng như hiệu quả sử dụng phổ tần nên đã được IEEE chọn làm

công nghệ truyền dẫn cho truyền dẫn vô tuyến băng rộng trong chuẩn IEEE.802.16.

Các kĩ thuật sử dụng trải phổ trực tiếp DS-CDMA như trong chuẩn 802.11b rất dễ bị

ảnh hưởng bởi nhiễu đa đường vì thời gian trễ có thể vượt qua khoảng thời gian của một

kí tự. OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian

truyền kí tự lên nhiều lần. Ngoài ra OFDM còn chèn thêm một khoảng bảo vệ GI (Gaurd

14

Interval) thường lớn hơn thời gian trễ tối đa của kênh truyền giữa 2 kí tự nên nhiễu ISI có

thể được loại bỏ hoàn toàn.

Trên kênh truyền dẫn thì nhiễu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề ảnh hưởng lớn

đến chất lượng truyền thông tín hiệu. Tuy vậy OFDM cũng rất mềm dẻo và linh hoạt khi

giải quyết vấn đề này. OFDM có thể khôi phục lại kênh truyền thông qua tín hiệu dẫn

đường (Pilot) được truyền đi cùng với dòng tín hiệu thông tin. Ngoài ra với các kênh con

suy giảm nghiêm trọng về tần số thì OFDM còn có một lựa chọn nữa để giảm tỷ lệ lỗi bit

là giảm bớt số bit mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó.

Hình 2.3: So sánh sóng OFDM với các hình thức truyền thống

Hình 2.3 so sánh giữa hai hình thức điều chế. Đối với các hình thức truyền thống,

một sóng mang đơn với băng thông rộng sẽ được truyền đi, trong khi với OFDM băng

thông rộng này được chia thành các băng con, mỗi băng con sẽ ứng với một sóng mang

con, các sóng mang con trực giao nhau. Việc chia băng con này sẽ làm tốc độ trên mỗi

băng con này giảm đi N lần, tuy nhiên, chu kì của một sóng mang cũng sẽ dài hơn N lần.

Điều này giúp cho việc đồng bộ dễ dàng hơn, tránh nhiễu đa đường cũng tốt hơn. Việc

chia thông tin cũng giúp cho việc chống nhiễu tốt hơn, vì nếu bị nhiễu, cũng chỉ bị nhiễu

trên các cụm đơn lẻ, nên có thể khắc phục dễ dàng hơn.

Mỗi sóng mang được gán luồng dữ liệu để truyền đi. Biên độ và pha của sóng mang

được tính toán dựa trên phương thức điều chế (thường là QPSK, BPSK, QAM). Sau đó

15

dùng biến đổi IFFT (Inverse Fast Fourier Tranform) để biến từ miền tần số về miền thời

gian. IFFT là một phương pháp biến đổi hiệu quả và đảm bảo cho các sóng mang con trực

giao. Tại bộ nhận, người ta dùng biến đổi FFT(Fast Fourier Tranform) để biến đổi ngược

lại từ miền thời gian sang miền tần số.

Một vấn đề quan trọng trong truyền dẫn là sự đòi hỏi khắt khe về sự đồng bộ vì sự

sai lệch về tần số, ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler khi di chuyển và lệch pha sẽ gây ra

nhiễu giao thoa tần số ICI (Intercarrier Interfrence) mà hậu quả là phá bỏ sự trực giao

giữa các tần số sóng mang và làm tăng ảnh hưởng tới hệ thống cũng như BER. Tuy nhiên

OFDM cũng có thể giảm bớt sự phức tạp của vấn đề đồng bộ thông qua khoảng bảo vệ

GI. Việc sử dụng chuỗi GI cho phép OFDM có thể điều chỉnh tần số thích hợp mặc dù

việc thêm GI cũng đồng nghĩa với việc giảm hiệu quả sử dụng băng tần.

Hình 2.4: Chèn thêm tuần tố vòng (Cyclic Prefix) [8]

Lý thuyết OFDM đòi hỏi một tuần tố vòng (CP) phải được thêm ở đầu ký hiệu

OFDM như trong hình 2.4. Không cần đi vào các chi tiết toán học của OFDM, có thể nói

CP cho phép bộ thu hấp thụ hiệu quả hơn nhiều sự phân bố thời gian trễ do sự đa đường

dẫn (multipath) và duy trì tính trực giao tần số. CP vốn chiếm một khoảng thời gian được

gọi là Guard Time (GT), thường được biểu thị là TG, là một sự dư thừa thời gian vốn phải

được xem xét trong các phép tính tốc độ dữ liệu. Tỷ số TG/Td thường được biểu thị là G

trong các tài liệu WiMAX/802.16. Việc lựa chọn G được thực hiện theo những xem xét

sau đây: nếu hiệu ứng đa đường quan trọng ( một kênh vô tuyến kém), cần đến một giá trị

G cao vốn tăng sự dư thừa và sau đó giảm tốc độ dữ liệu hữu dụng; nếu hiệu ứng đa đườn

16

dẫn nhẹ hơn ( một kênh vô tuyến tốt), một giá trị tương đối nhỏ hơn là G có thể được sử

dụng. Đối với các lớp PHY OFDM và OFDMA, 802.16 định nghĩa các giá trị sau đây cho

G: 1/4, 1/8, 1/16, 1/32. Đối với các profile WiMAX di động ( OFDMA) hiện được định

nghĩa, chỉ giá trị 1/8 là bắt buộc. Chuẩn xác định rằng đối với các lớp PHY OFDM và

OFDMA, một SS tìm kiếm lúc khởi tạo, để tìm tất cả các giá trị có thể có của CP cho đến

khi nó tìm thấy CP được sử dụng bởi BS. Sau đó, SS sử dụng cùng một CP trên uplink.

Một khi khoảng thời gian CP riêng biệt đã được chọn bởi BS để hoạt động trên downlink,

nó không thể được thay đổi. Việc thay đổi CP sẽ buộc tất cả SS tái đồng bộ với BS.

2.1.1.2 Cơ bản về OFDMA

Trong WIMAX fixed, áp dụng công nghệ OFDM, còn trong WIMAX theo chuẩn

802.16e, áp dụng công nghệ OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiplexing

Access), hai công nghệ này có vài sự khác biệt cơ bản như sau:

17

Hình 2.5: Khác nhau giữa OFDM và OFDMA [8]

Công nghệ OFDMA cũng áp dụng cách chia băng to thành các băng con trực giao

giống như OFDM, tuy nhiên ở OFDMA, các sóng mang con này được nhóm lại thành các

nhóm, mỗi nhóm sẽ được gán cho một người dùng khác nhau như hình 2.5

Ngoài các sóng mang dữ liệu và bảo vệ, trong OFDMA còn có các sóng mang đánh

dấu (Pilot Carriers) nhằm phục vụ cho việc đồng bộ.

Trong OFDM chỉ một người dùng hoạt động trong một khe thời gian, tuy nhiên,

trong OFDMA, nhiều người dùng có thể cùng hoạt động trong một khe thời gian. Do đó,

nếu chỉ có một người dùng trong khe thời gian, toàn bộ công suất sẽ được dồn lại cho

người dùng này. Điều này mang lại độ lợi 15dB so với OFDM.

Vì trong OFDMA nhiều người dùng có thể chia sẻ một khe thời gian nên việc quản

lí phổ tần số và công suất phát linh hoạt hơn

Với WIMAX áp dụng công nghệ OFDM, nên chỉ sử dụng phương thức truy nhập

FDD, trong khi với công nghệ OFDMA, sẽ sử dụng được phương thức truy nhập TDD.

Hai phương thức này có những đặc điểm như sau:

FDD yêu cầu đường lên và đường xuống là hai tần số khác nhau, do đó không tiết

kiệm dải tần.

TDD thì cả đường lên và đường xuống đều dùng cùng một tấn số, chỉ khác nhau về

khe thời gian truy nhập, do đó tiết kiệm được dải tần.

FDD thì tốc độ đường lên và đường xuống luôn bằng nhau, trong khi TDD thì có thể

điều chỉnh được giữa tốc độ đường lên và đường xuống.

18

2.1.1.3 Các hình thức kênh con (subchannelization)

Cấu trúc kí hiệu OFDMA gồm có 3 loại sóng mang con như trong hình 2.6:

• Sóng mang con dữ liệu để truyền dẫn dữ liệu.

• Sóng mang con hoa tiêu cho mục đích ước tính và đồng bộ.

• Sóng mang con vô giá trị không dùng cho truyền dẫn, mà sử dụng cho các dải bảo

vệ và các sóng mang DC.

Các sóng mang con tích cực (dữ liệu và hoa tiêu) được nhóm thành các tập con gọi

là các kênh con. Lớp vật lí OFDMA WiMAX hỗ trợ kênh con trong cả DL và UL. Đơn vị

tài nguyên thời gian - tần số nhỏ nhất của phân kênh con là một khe bằng 48 tone dữ liệu

(sóng mang con). Có hai loại hoán vị sóng mang con phân cho kênh con; phân tập và liền

kề. Hoán vị phân tập đưa các sóng mang con giả ngẫu nhiên vào dạng một kênh con. Nó

cung cấp phân tập tần số và trung bình hóa nhiễu giữa các tế bào. Các hoán vị phân tập

bao gồm DL FUSC (sóng mang con được sử dụng hoàn toàn), DL PUSC (sóng mang con

được sử dụng một phần), UL PUSC và các hoán vị không bắt buộc.

Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA [8]

Với DL PUSC, mỗi cặp kí hiệu OFDM, các sóng mang con khả dụng hoặc thích hợp

được nhóm thành các cụm bao gồm 14 sóng mang con liền kề trên một chu kì kí hiệu, có

cấp phát hoa tiêu và dữ liệu ở mỗi cụm trong các kí hiệu lẻ và chẵn được biểu diễn như

trong hình

19

Hình 2.7: Kênh con phân tập tần số DL

Kế hoạch sắp xếp lại được sử dụng để nhóm các cụm sao cho mỗi nhóm được cấu

thành từ các cụm được phân bố khắp không gian sóng mang con. Một kênh con trong một

nhóm gồm hai cụm và được cấu thành từ 48 sóng mang con dữ liệu, 8 sóng mang con hoa

tiêu. Các sóng mang con dữ liệu trong mỗi nhóm được hoán vị để tạo ra các kênh con

trong nhóm. Vì vậy, chỉ các vị trí hoa tiêu trong cụm được biểu diễn trong hình 2.7. Các

sóng mang con dữ liệu trong cụm được phân bố cho nhiều kênh con.

Tương tự với cấu trúc cụm DL, một cấu trúc tile được định nghĩa cho UL PUSC có

dạng như hình 2.8:

Hình 2.8: Cấu trúc tile cho UL PUSC

Không gian sóng mang con khả dụng được chia thành các tile và 6 tile được chọn

qua toàn bộ phổ bởi kế hoạch hoán vị/sắp xếp lại, được nhóm lại để hình thành một khe.

Khe gồm có 48 sóng mang con dữ liệu và 24 sóng mang con hoa tiêu trong 3 kí hiệu

OFDM.

Hoán vị liền kề nhóm một khối các sóng mang con liền kề để hình thành một kênh

con. Hoán vị liền kề bao gồm DL AMC và UL AMC, và có cấu trúc tương tự. Một bin

20

gồm 9 sóng mang con liền kề trong một kí hiệu, với 8 gán cho dữ liệu và 1 gán cho hoa

tiêu. Một khe trong AMC được định nghĩa như một tập hợp các bin của kiểu (NxM=6),

trong đó N là số bin liền kề và M là số kí hiệu liền kề. Vì vậy cho phép các kết hợp là [(6

bin, 1 kí hiệu), (3 bin, 2 kí hiệu), (2 bin, 3 kí hiệu), (1 bin, 6 kí hiệu) ]. Hoán vị AMC cho

phép phân tập đa người sử dụng bởi lựa chọn kênh con với đáp ứng tần số tốt nhất.

Nhìn chung, phân tập hoán vị sóng mang con thực hiện tốt trong các ứng dụng di

động trong khi đó các hoán vị sóng mang con liền kề thì tốt trong các môi trường cố định

hoặc tính di động thấp. Các sự lựa chọn này cho phép thiết kế hệ thống để cân bằng các

yếu tố của tính di động cho thông lượng.

2.1.1.4 Mã hóa và điều biến thích nghi (AMC)

Điều chế thích nghi (adaptive modulation) cho phép hệ thống WiMAX điều chỉnh

nguyên lý điều chế tín hiệu theo tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của đường truyền vô

tuyến. Khi đường truyền vô tuyến có chất lượng cao, nguyên lý điều chế cao nhất được sử

dụng làm tăng thêm dung lượng hệ thống. Trong quá trình suy giảm tín hiệu, hệ thống

WiMAX có thể chuyển sang một nguyên lý điều chế thấp hơn để duy trì chất lượng và sự

ổn định của đường truyền. Đặc điểm này cho phép hệ thống khắc phục hiệu ứng fading

lựa chọn thời gian. Đặc điểm quan trọng của điều chế thích nghi là khả năng tăng dải sử

dụng của nguyên lý điều chế ở mức độ cao hơn, do đó hệ thống có tính mềm dẻo đối với

tình trạng fading thực tế.

21

Hình 2.9: Bán kính cell

2.1.2 Đặc trưng lớp MAC của IEEE 802.16

2.1.2.1 Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng(CS)

MAC CS nằm trên MAC CPS và sử dụng thông qua MAC SAP, các dịch vụ được

cung cấp bởi MAC CPS. Lớp này thực hiện các chức năng sau:

- Nhận các đơn vị dữ liệu giao thức (PDU) từ lớp cao hơn

- Thực hiện phân loại các PDU lớp cao hơn.

- Xử lí (nếu cần) các PDU lớp cao hơn trên cơ sở phân loại.

- Phát các CS PDU đến các MAC SAP thích hợp.

- Nhận CS PDU từ thực thể cùng cấp.

Hiện nay, có hai chi tiết kĩ thuật CS được cung cấp là:ATM CS và Packet CS.

Lớp con hội tụ ATM, hay ATM CS là một giao diện logic kết hợp các dịch vụ ATM

khác nhau với MAC CPS SAP. ATM CS nhận các tế bào ATM từ lớp ATM, thực hiện

phân loại và nếu được cung cấp PHS (nén tiêu đề tải trọng), sau đó phát các CS PDU đến

MAC SAP phù hợp.

Lớp con hội tụ gói hay Packet CS dành cho các dịch vụ dữ liệu dạng gói ví dụ như

Ethernet, PPP, IP và VLAN. Các CS khác có thể được hỗ trợ trong tương lai.

Trong quá trình gửi thông tin.Dữ liệu từ lớp cao hơn chuyển xuống, lớp CS có trách

nhiệm phát các MAC SDU đến MAC SAP. MAC có trách nhiệm phát các MAC SDU đến

các MAC SAP ngang cấp phù hợp với QoS, việc phân đoạn, ghép nối, và các chức năng

truyền tải khác, kết hợp với các đặc điểm luồng dịch vụ của một kết nối cụ thể.

Với quá trình nhận tin.CS có trách nhiệm nhận MAC SDU từ các MAC SAP.sau khi

sử lý như phân loại,giải nén tiêu đề…và gửi đến thực thể lớp cao hơn.

Phân loại và CID mapping

Như được định nghĩa trong chuẩn, sự phân loại (classification) là tiến trình mà qua

đó một MAC SDU được ánh xạ sang một nối kết cụ thể để truyền giữa các peer MAC.

Tiến trình ánh xạ kết hợp một MAC SDU với một nối kết tạo nên sự kết hợp với các đặc

22

điểm service flow của nối kết đó. Tiến trình này cho phép BWA 802.16 gởi các MAC

SDU có các ràng buộc QoS thích hợp.

Có các cơ cấu phân loại và ánh xạ trong uplink và downlink. Trong trường hợp của

một sự truyền downlink, classifier sẽ hiện diện trong BS và trong trường hợp của một sự

truyền uplink, nó hiện diện trong SS.

Classifier là một tập hợp tiêu chuẩn tương hợp được áp dụng cho mỗi gói đi vào

mạng WiMAX/802.16. Tập hợp tiêu chuẩn tương hợp gồm một số tiêu chuẩn tương hợp

gói dành riêng cho giao thức (ví dụ một địa chỉ IP đích), một quyền ưu tiên classifier và

một tham chiếu dẫn sang CID. Nếu một gói tương hợp với tiêu chuẩn tương hợp gói đã

xác định thì nó được gởi đến SAP để phân phối trên nối kết được định nghĩa bởi CID. Các

đặc điểm service flow của nối kết cung cấp QoS cho gói đó. Cơ cấu phân loại được minh

họa trong hình 2.9

Hình 2.10: Phân loại và ánh xạ CID. Nguyên lý như nhau cho cả hai chiều: BS

đến SS và SS đến BS [7]

MAC của 802.16-2004 định hướng nối kết mà tại đó các nối kết thì ảo. Đối với các

mục đích ánh xạ các dịch vụ khác nhau đồng thời và kết hợp các cấp QoS khác nhau, mọi

sự truyền dữ liệu nằm trong ngữ cảnh của một nối kết. Các service flow có thể được dự

23

trữ khi một SS được cài đặt trong hệ thống. Ngay sau khi đăng ký SS, các nối kết được

kết hợp với những service này (có một nối kết trên mỗi service flow) để cung cấp một

tham chiếu cho tiến trình yêu cầu băng thông. Ngoài ra, các nối kết mới có thể được thiết

lập khi một dịch vụ SS cần thay đổi. Một nối kết định nghĩa sự ánh xạ giữa các tiến trình

hội tụ peer vốn tận dụng MAC và service flow. Service flow định nghĩa các tham số QoS

cho các PDU được trao đổi trên nối kết.

Tóm lại, MAC CS phân loại mỗi ứng dụng. Một lớp QoS được gán. Sự phân loại

này là một tiến trình quan trọng bởi vì mỗi BS có thể phục vụ một số người dùng tương

đối lớn truyền các ứng dụng khác nhau. Sự phân loại này cho phép một sự thích ứng liên

kết tốt bởi vì nó sẽ cấp phát những tài nguyên cần thiết cho mỗi ứng dụng. Kết quả, sự

phân biệt QoS, ví dụ giữa một sự truyền email và một sự truyền tiếng nói rất dễ thực thi

2.1.2.2 Lớp con phần chung ( MAC CPS)

Phần lõi của lớp MAC IEEE 802.16 là MAC CPS, có nhiệm vụ là :

- Định nghĩa tất cả các quản lý kết nối,

- Phân phối băng thông, yêu cầu và cấp phát, thủ tục truy nhập hệ thống,

- Lập lịch đường lên, 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.

Định dạng và phân loại MAC PDU

Phân loại MAC PDU

MAC PDU dữ liệu

- Tiêu đề là tiêu đề MAC chung với HT=0.

24

- Tải trọng là các MAC SDU, hay các phân đoạn là dữ liệu từ lớp phía trên (các

CSPDU). Được phát trên các kết nối truyền tải.

Các MAC PDU quản lí

- Tiêu đề là tiêu đề MAC chung với HT=0

- Tải trọng là các bản tin quản lí MAC. Được phát trên các kết nối quản lí.

Các MAC PDU yêu cầu băng thông (BW)

- Tiêu đề là tiêu đề yêu cầu băng thông với HT=1

- không có tải trọng.

Tiêu đề MAC chung

Các trường trong tiêu đề MAC chung có ý nghĩa như sau:

- CI (1 bit) CRC Indicator: Nếu CI có giá trị là 1 có nghĩa CRC được tính đến trong

PDU bằng cách gắn vào tải trọng PDU sau khi mật mã hóa, nếu có giá trị 0 nghĩa là

không có CRC.

- CID (16 bit) Connection Identifier

- EC (1 bit) Encryption Control: EC có giá trị bằng 0 nghĩa là tải trọng không được

mật mã hóa.EC có giá trị 1 nghĩa là tải trọng được mật mã hóa.

- EKS (2 bit) Encryption Key Sequence Chỉ mục của khóa mật mã hóa lưu lượng

(TEK) và vector khởi tạo được sử dụng để mật mã hóa tải trọng. Trường này chỉ có ý

nghĩa nếu trường EC được thiết lập là 1.

- HCS (8 bit) Header Check Sequence: Một trường 8 bit được sử dụng để phát hiện

lỗi trong tiêu đề. Máy phát sẽ tính toán giá trị HCS cho các byte đầu tiên của tiêu đề tế

25

bào và chèn kết quả vào trường HCS (byte cuối cùng của tiêu đề). Nó sẽ là số dư của

phép chia (modulo 2) bởi đa thức đặc trưng g (D=D8+D2+D+1) của đa thức D8 nhân với

nội dung của tiêu đề trừ trường HCS.

- HT (1bit) Header Type: HT được thiết lập là 0.

- LEN (11bit) Length- Trường độ dài theo byte của MAC PDU bao gồm tiêu

đề MAC và CRC (nếu có).

- Type (6 bit) - Trường này cho biết các tiêu đề con và các loại tải trọng đặc biệt

trong tải trọng của bản tin.

Tiêu đề yêu cầu băng thông

PDU yêu cầu băng thông sẽ chỉ có tiêu đề yêu cầu băng thông và không chứa tải

trọng.Yêu cầu băng thông sẽ có các đặc tính sau:

- Độ dài của tiêu đề sẽ luôn là 6 byte.

- Trường EC sẽ được thiết lập là 0, chỉ thị không mật mã hóa.

- CID sẽ cho biết kết nối cho SS yêu cầu băng thông đường lên.

- Trường BR (Bandwidth Request) sẽ cho biết số các byte được yêu cầu.

- Các loại yêu cầu băng thông được cho phép là 000 cho tăng dần và 001 cho toàn

bộ.

Một SS nhận một tiêu đề yêu cầu băng thông trên đường xuống sẽ hủy bỏ PDU.Mỗi

tiêu đề được mã hóa, bắt đầu với các trường HT và EC. Mã hóa các trường này là để byte

đầu tiên của tiêu đề MAC sẽ không bao giờ có giá trị 0xFF. Điều này ngăn chặn lỗi phát

hiện các byte đệm.

26

Các trường tiêu đề yêu cầu băng thông:

- BR (19 bit)- Số lượng các byte của băng thông đường lên được yêu cầu bởi SS.

Yêu cầu băng thông là để cho CID. Yêu cầu sẽ không bao gồm bất kì mào đầu PHY nào.

- CID (16 bit) nhận dạng kết nối

- HT có giá trị là 1

- Type ( 3 bit) - Chỉ thị loại tiêu đề yêu cầu băng thông.

Các kết nối quản lí MAC

Có 4 loại kết nối quản lí.:

Kết nối cơ bản: Các bản tin quản lí MAC khẩn cấp về thời gian và ngắn.Các bản tin

quản lí MAC như yêu cầu hủy, thiết lập ARQ...

Kết nối quản lí sơ cấp :Các bản tin quản lí dung sai trễ lớn hơn và dài hơn.Các bản

tin quản lí MAC như quản lí khóa bảo mật, yêu cầu thay đổi dịch vụ...

Kết nối quảng bá : Các bản tin quản lí MAC như miêu tả kênh, DL-MAP, UL-

MAP...

Kết nối quản lí Initial Ranging :Các bản tin quản lí yêu cầu Ranging.

Định dạng bản tin quản lí MAC

Bản tin quản lí MAC có thể được gửi trên các kết nối cơ bản, các kết nối sơ cấp, kết

nối quảng bá và các kết nối Initial Ranging.

Lược đồ mã hóa TLV (type/ length/ value) được sử dụng trong bản tin quản lí MAC

ví dụ như trong bản tin UCD (miêu tả kênh đường lên) cho trạng thái burst đường lên.

• ( type=1, length=1, value=1)-> điều chế QPSK.

27

• ( type=1, length=1, value=2)-> điều chế 16-QAM.

• ( type=1, length=1, value=3)-> điều chế 64-QAM.

Một số kỹ thuật trong lớp MAC_SAP

Kĩ thuật ARQ:

Kĩ thuật ARQ dùng để truyền lại các khung bị lỗi không sửa được bởi FEC. Khi

được bổ sung, ARQ có thể được cho phép trên mỗi kết nối. Mỗi kết nối ARQ sẽ được

định rõ và thương lượng trong khi tạo kết nối. Một kết nối không thể có sự pha trộn giữa

lưu lượng ARQ và không ARQ.

Với các kết nối ARQ, cho phép phân đoạn là tùy chọn. Khi phân đoạn được cho

phép, đầu phát có thể phân chia mỗi SDU thành nhiều phân đoạn để truyền dẫn riêng biệt

dựa trên giá trị của tham số ARQ_BLOCK_SIZE. Khi việc phân đoạn không được phép,

kết nối sẽ được quản lí giống như khi được phép. Trong trường hợp này, liên quan đến

kích cỡ khối đã thỏa thuận, mỗi phân đoạn được định dạng để truyền dẫn sẽ chứa tất cả

các khối dữ liệu kết hợp với SDU gốc.

Kỹ thuật này cho phép tăng độ tin câyh của dịch vụ nhưng đồng thời giảm dung

lượng đường truyền và tăng thời gian trễ

Kĩ thuật yêu cầu và cấp phát băng tần

Để thực hiện quá trình yêu cầu và cấp phát băng tần sẽ có các quá trình như polling

yêu cầu và cấp phát:

Phần Polling:

Polling là quá trình được sử dụng bởi BS để cấp phát các cơ hội yêu cầu băng tần

cho các SS. Khi BS muốn thông báo cho một SS một cơ hội yêu cầu băng tần đang đến,

nó sẽ sử dụng một phần tử thông tin IE bản tin UL-MAP để làm việc đó. UL- MAP IE sẽ

chấp nhận băng tần đủ cho SS hay các SS để xem xét các yêu cầu băng tần của chúng

trong chu kì yêu cầu theo lí thuyết. Cấp phát cơ hội yêu cầu băng tần sẽ được thực hiện

trên cơ sở đơn điểm, đa điểm, hay quảng bá.

Polling đơn điểm :Trong trường hợp này, một SS được kiểm soát vòng một cách

riêng biệt bởi BS. SS sẽ trả lời với các byte trộn nếu băng tần được cấp là không cần thiết.

28

Polling đa điểm và quảng bá: BS sẽ sử dụng đến kiểm soát vòng đa điểm hay

quảng bá đến các SS nếu băng tần đang sẵn có không đủ để kiểm soát nhiều SS một cách

riêng biệt. Các CID bất kì được dự trữ cho các nhóm đa điểm và cho các bản tin quảng bá.

Kiểm soát vòng đa điểm hay quảng bá cũng được thực hiện qua bản tin UL-MAP trong

cùng một kiểu với polling đơn điểm. Sự khác biệt cơ bản ở đây là bản tin polling được

định hướng đến một CID đa điểm hay quảng bá thay vì CID cụ thể hoặc SS.

Poll-me bit: Poll-me bit được sử dụng bởi các SS sử dụng dịch vụ UGS để thông

báo cho BS rằng chúng cần được kiểm soát vòng. Poll-me bit là một phần của tiêu đề con

quản lí cấp phát. Khi poll-me bit được phát hiện, BS sẽ sử dụng một polling đơn điểm đến

SS yêu cầu nó. Để giảm thiểu nguy cơ BS làm mất Poll-me bit, SS có thể thiết lập bit

trong tất cả tiêu đề con quản lí cấp phát MAC UGS ở khoảng thời gian lập lịch đường lên.

Phần Yêu cầu:

là kĩ thuật mà các SS sử dụng để thông báo cho BS rằng nó cần được cấp phát băng

tần đường lên. Một yêu cầu có thể đến như một tiêu đề yêu cầu băng tần đứng một mình

hoặc có thể đến như một PiggyBack Request.

Bởi vì profile burst đường lên có thể thay đổi linh động, nên tất cả các yêu cầu băng

tần sẽ được tạo thành số hạng của số các byte cần để mang tiêu đề và tải trọng MAC,

nhưng không tính lớp vật lí. Bản tin yêu cầu băng tần có thể được phát trong bất kì thời

điểm nào đường lên ngoại trừ trong khoảng thời gian Initial Ranging.

Bandwidth Request Header: SS có thể yêu cầu cấp phát băng tần vào bất kì thời

điểm nào bằng cách gửi một MAC PDU yêu cầu băng tần với một tiêu đề yêu cầu băng

tần và không có tải trọng. Tiêu đề yêu cầu băng tần được sử dụng để yêu cầu thêm băng

tần.

Piggyback Request : Phương pháp thông dụng để yêu cầu băng tần sử dụng một

tiêu đề con quản lí 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 BW Request trên một gói dữ liệu.

Yêu cầu băng tần có thể là tăng dần hoặc toàn bộ. Khi BS nhận một yêu cầu băng

tần tăng dần, nó sẽ ghi nhớ số lượng băng tần được yêu cầu hiện thời của kết nối. Trường

Type trong tiêu đề yêu cầu băng tần cho biết yêu cầu là tăng dần hay toàn bộ. Do

PiggyBack Request không có trường Type, nên nó sẽ luôn là tăng dần.

29

Phần Cấp phát

Cấp phát trên mỗi kết nối (GPC): SS chỉ nhận các cấp phát cho các kết nối cụ thể

(bao gồm cả các kết nối quản lí) và kết quả phải yêu cầu băng tần cho mỗi kết nối cụ thể

khi có nhu cầu. Hơn nữa, SS phải yêu cầu thêm băng tần để đáp ứng các yêu cầu của RLC

không được mong đợi. Vì thế, các hệ thống GPC là đơn giản nhưng không hiệu quả. Việc

cấp phát được quyết định dựa trên băng tần đã yêu cầu và các yêu cầu QoS và tài nguyên

sẵn có.

Cấp phát trên mỗi trạm thuê bao (GPSS): SS nhận một cấp phát băng tần được

sử dụng để đáp ứng các nhu cầu của tất cả các kết nối của nó. Tự SS phải quản lí bao

nhiêu băng tần được cấp phát cho mỗi kết nối. Nếu một kết nối yêu cầu nhiều hơn băng

tần có thể phục vụ, SS có thể “lấy cắp” băng tần từ một kết nối khác để lấp đầy lượng

băng tần còn thiếu. BS cũng đảm nhận hàng đợi ưu tiên trên cơ sở các loại lưu lượng. SS

sau đó có thể gửi một yêu cầu đến BS để yêu cầu tăng thêm băng tần nhằm đáp ứng các

nhu cầu mới của nó.

Các cấp phát băng tần được cung cấp trên cơ sở giao thức tự hiệu chỉnh trái ngược

với giao thức đã biết ở trên. Trong giao thức này, nếu SS không nhận một cấp phát băng

tần trả lời yêu cầu băng tần của nó, SS sẽ thừa nhận rằng yêu cầu đã bị mất hay trả lời

không được thỏa mãn, và đơn giản sẽ gửi một yêu cầu khác đến BS mà không đợi một số

xác nhận của yêu cầu ban đầu. Giao thức này bỏ qua tiêu đề kết hợp với các bản tin xác

nhận.

Kỹ thuật dịch vụ lập lịch đường lên

Chất lượng dịch vụ nói đến khả năng cung cấp độ ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau

của mạng. Các tham số chính của QoS trong mạng bao gồm độ rộng băng tần chuyên

dụng, góc trễ, jitter và tỉ lệ mất. Có nhiều dịch vụ với QoS khác nhau, điều này có nghĩa

là các dịch vụ khác nhau được cấp phát các tài nguyên khác nhau và chất lượng dịch vụ

đảm bảo. Phân loại dịch vụ đường lên dựa trên các yêu cầu khác nhau về băng tần, góc trễ

và jitter.

Dịch vụ cấp phát không yêu cầu (UGS) :Tài nguyên vô tuyến đường lên được cấp

phát ở một khoảng thời gian định kì. Bộ lập lịch BS đưa ra băng tần đường lên kích cỡ cố

định chấp nhận cơ sở thời gian thực theo chu kì.Dịch vụ UGS được thiết kế cho các luồng

30

lưu lượng thời gian thực mà phát các gói dữ liệu kích cỡ cố định trên nền tảng định kì như

T1/E1 và VoIP. Dịch vụ kiểm soát vòng thời gian thực (rtPS)

Dịch vụ này cung cấp các cơ hội yêu cầu truyền dẫn đường lên ở các khoảng thời

gian cố định. Theo cách này, tài nguyên trước hết phải được yêu cầu và sau đó được cấp

phát bởi điểm truy nhập. Thông tin về các nguồn tài nguyên được cấp phát trong đường

lên là quảng bá thông qua đường xuống đến tất cả các đầu cuối người dùng. Dịch vụ rtPS

được dành cho các luồng lưu lượng thời gian thực mà phát các gói dữ liệu kích cỡ thay

đổi trên nền tảng định kì như là video MPEG. Bộ lập lịch BS đưa ra các cơ hội yêu cầu

băng tần đường lên theo định kì, thời gian thực. SS sử dụng cơ hội yêu cầu UL-BW đã

đưa ra để chỉ định việc chấp nhận UL-BW được mong muốn. SS không thể sử dụng yêu

cầu BW trên cơ sở tranh chấp.

Dịch vụ kiểm soát vòng phi thời gian thực (nrtPS):Dịch vụ này cung cấp kĩ thuật

lập lịch đường lên giống như rtPS mà không thăm dò góc trễ thấp. Phù hợp nhất với các

luồng lưu lượng phi thời gian thực yêu cầu dữ liệu kích cỡ thay đổi chấp nhận trên nền

tảng cách đều nhau như là FTP độ rộng dải tần cao. Cho các dịch vụ nrt-VBR như truyền

tệp, cần nhiều độ rộng dải tần. Bộ lập lịch BS sẽ cung cấp các cơ hội yêu cầu UL-BW

theo thời gian (khoảng 1s hay ít hơn). SS có thể sử dụng các cơ hội yêu cầu BW trên cơ

sở tranh chấp để gửi yêu cầu BW.

Dịch vụ Best Effort (BE):Với dịch vụ này, các khoảng thời gian yêu cầu tranh

chấp, các cơ hội yêu cầu đơn điểm hay các loại burst chấp nhận dữ liệu có thể được cấp

phát. Trong cách này, các yêu cầu tài nguyên có thể tranh chấp chỉ trong khi kết nối đang

xảy ra. Các gói dữ liệu được phát qua các tài nguyên được dành riêng theo các yêu cầu tài

nguyên bởi bộ lập lịch đường lên trong điểm truy nhập. Cho lưu lượng best-effort ví dụ

như HTTP, SMTP. SS sử dụng các cơ hội yêu cầu BW trên cơ sở tranh chấp.

2.1.2.3 Lớp con an ninh

Hai chức năng chính:

- Bảo mật qua các không gian truyền dẫn.

- Bảo vệ khỏi các đánh cắp dịch vụ.

Lớp con bảo mật thực hiện mã hóa dữ liệu trước khi truyền đi và giải mã dữ liệu

nhận được từ lớp vật lý. Nó cũng thực hiện nhận thực và trao đổi khóa bảo mật.

31

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 (chú ý rằng đây không phải là

một địa chỉ MAC), còn SS có 48 bit địa chỉ MAC 802.3.

Có 2 giao thức chính hoạt động trong lớp con bảo mật: giao thức mã hóa dữ liệu

thông qua mạng băng rộng không dây, và giao thức quản lý khóa bảo và bảo mật (PKM-

Privacy and Key Management Protocol) đảm bảo an toàn cho quá trình phân phối khóa từ

BS tới SS. Nó cũng cho phép BS đặt điều kiện truy nhập cho các dịch vụ mạng. Giao

thức PKM sử dụng thuật toán khóa công khai RSA, chứng thực số X.509 và thuật toán mã

hóa mạnh để thực hiện trao đổi khóa giữa SS và BS. Giao thức bảo mật này dựa trên giao

thức PKM của DOCSIS BPI+ đã được cải tiến để cung cấp một lược đồ mã hóa mạnh hơn

như chuẩn mã hóa cải tiến AES.

MAC trong IEEE 802.16 là phân lớp hướng kết nối, được thiết kế cho các ứng dụng

truy nhập không dây băng rộng theo cấu hình điểm đa điểm (PMP), hay dạng mesh. Có

hai loại kết nối MAC được xác định bởi 16 bit nhận dạng kết nối CID là: Các kết nối quản

lý và Các kết nối vận chuyển dữ liệu. Các kết nối quản lý lại gồm 3 loại:

- cơ sở,

- sơ cấp

- thứ cấp

Trong đó cơ sở sử dụng cho truyền tải, điều khiển liên kết vô tuyến...,còn sơ cấp liên

quan đến thiết lập nhận thực và kết nối, và kết nối quản lý thứ cấp là các bản tin quản lý

dựa trên chuẩn truyền tải như DHCP, TFTP, SNMP. Kết nối quản lý sơ cấp và kết nối cơ

sở được tạo ra khi một MS/SS ra nhập vào một BS phục vụ của mạng. Kết nối vận chuyển

dữ liệu có thể được thiết lập dựa trên nhu cầu. Chúng được sử dụng cho các luồng lưu

lượng người sử dụng, các dịch vụ đơn hướng (Unicast) và đa hướng (Multicast). Các kênh

bổ sung cũng được MAC dự trữ để gửi ra ngoài các thông tin lập lịch đường xuống và

đường lên.

Các thành phần cơ bản của mạng là trạm gốc BS và trạm thuê bao SS (Subscriber

Station), trạm gốc BS giống như các điểm truy nhập (AP) trong mạng WiFi. BS được nối

với phần hữu tuyến, nó phát quảng bá các thông tin tới SS. Khác với phương pháp

32

CSMA/CA trong 802.11, 802.16 sử dụng các ánh xạ đường xuống và đường lên để khắc

phục xung đột trong môi trường truy nhập. SS sử dụng phương thức truy nhập TDMA để

chia sẻ đường lên trong khi BS sử dụng phương thức TDM. Tất cả các chức năng này

được thực hiện thông qua bản tin DL_MAP và UL_MAP.

2.1.3 Cấu trúc của MAC frame TDD

Chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 2 kỹ thuật song công chính: Time Division Duplexing

(TDD) và Frequency Division Duplexing (FDD). Việc lựa chọn một kỹ thuật song công

này hoặc kỹ thuật song công khác có thể ảnh hưởng đến tham số PHY nhất định cũng như

tác động đến những tính năng vốn có thể được hỗ trợ.

- Chế độ FDD: các kênh uplink và downlink được định vị trên các tần số riêng biệt.

Một khung thời gian cố định được sử dụng cho các cuộc truyền uplink và downlink. Điều

này làm dễ dàng sử dụng các loại điều biến khác nhau

- Chế độ TDD: các cuộc truyền uplink và downlink chia sẻ cùng một tần số nhưng

chúng xảy ra vào các thời điểm khác nhau. Một frame TDD

2.1.3.1 Frame con Downlink OFDM PHY

TDD DL-subframe bao gồm :

Một downlink PHY PDU bắt đầu với một preamble dài vốn cho phép đồng bộ

hóa PHY để lắng nghe các SS. Một SS lắng nghe đồng bộ hóa với downlink sử dụng

preamble.

Theo sau preamble là một chớp tín hiệu Frame Control Header (FCH). FCH

chứa Downlink Frame Prefix ( DLFP) vốn xác định burst profile và chiều dài của tối thiểu

một chớp tín hiệu downlink theo sau ngay FCH. Một số burst profile và chiều dài

downlink lên đến bốn sau FCH, có thể được xác định trong DLFP. Một trường HCS

chiếm byte cuối cùng của DLFP

Đối với OFDM PHY, chuẩn xác định rằng DLFP là một ký hiệu OFDM có sự

điều biến và phương pháp mã hóa mạnh nhất. Sự điều biến và phương pháp mã hóa có thể

được xem là BPSK với tốc độ mã hóa là 1/2.

Mỗi chớp tín hiệu downlink có thể được gởi đến một (unicast) hoặc nhiều

SS( multicast hoặc broadcast). Một thông báo DL-MAP (bộ chỉ báo việc sử dụng frame

33

downlink, xem bên dưới), nếu được truyền trong frame hiện hành (một trường hợp nơi

không cần đến DL-MAP. DLFP xác định tất cả burst profile của frame con downlink),

phải là MAC PDU đầu tiên trong chớp tín hiệu theo sau FCH. Một thông báo UL-MAP

( bộ chỉ báo việc sử dụng frame uplink, xem bên dưới) theo ngay sau thông báo DL-MAP

( nếu có một) hoặc FCH. Nếu các thông báo UCD và DCD được truyền trong frame,

chúng theo ngay sau các thông báo DL-MAP và UL-MAP. Theo sau FCH là một hoặc

nhiều chớp tín hiệu downlink. Cùng một hoặc nhiều burst profile có thể được sử dụng

nhiều lần. Những chớp tín hiệu downlink này được truyền theo thứ tự tính mạnh mẽ giảm

dần của các burst profile của chúng.

P FCH DL burst # first

DL burst to SS#1 to N

…

DL-MAP, UL-MAP, MAC- DCD, UCD PDUs

F.Header Downlink subframe TG Uplink subframe

Contention- Contention- UL-PHY UL-PHY

Ini. Ranging BW request PDU-SS#1 .. PDU-SS#M DL-PHY PDU (i.e. MAC frame)

P UL burst

MAC- MAC- PAD PDUs PDUs

MAC MAC CRC Header Payload

TDD PHY frame

Generic MAC PDU

PHY burst

Hình 2.11: Cấu trúc khung TDD của WiMAX [6]

2.1.3.2 Frame con Uplink OFDM PHY

Một frame con uplink OFDM PHY gồm 3 phần chung theo thứ tự sau:

Các slot tranh chấp cho phép initial ranging ( xác định phạm vi ban đầu).

Thông qua Initial Ranging IE, BS xác định một khoảng thời gian trong đó các trạm

(station) mới có thể gia nhập mạng. Các gói được truyền trong thời gian này sử dụng

34

thông báo quản lý RNG-REQ ( Ranging Request) MAC và được truyền bằng cách sử

dụng một thủ tục tranh chấp vì các xung đột có thể xảy ra với các SS đến khác

Slot tranh chấp cho phép các yêu cầu băng thông. Thông qua Request IE, BS

xác định một khoảng thời gian uplink trong đó các yêu cầu có thể thực hiện cho một băng

thông để truyền dữ liệu uplink

Một hoặc nhiều PHY PDU uplink, mỗi cái được truyền trên một chớp tín hiệu.

Từng PDU này là một frame con uplink được truyền từ một SS khác. Một PDU có thể

truyền trong một thông báo SS MAC

2.2 Luồng dịch vụ và các lớp dịch vụ

2.2.1 Service Flow

Service Flow (SF) là một dịch vụ vận chuyển MAC, cung cấp sự vận chuyển các gói

theo một chiều uplink hoặc downlink. Nó được nhận dạng bởi một SFID (Service Flow

Identifier) 32 bit.

Một Service Flow được mô tả bởi một tập hợp tham số QoS. Các tham số QoS bao

gồm những chi tiết về cách SS có thể yêu cầu các sự cấp phát băng thông uplink và hành

vi mong đợi của bộ lập thời biểu (scheduling) uplink BS. Các thuộc tính service flow :

Service Flow ID. Một SFID được gán vào mỗi service flow hiện có. SFID được

sử dụng làm định danh (identifier) cho service flow trong mạng.

CID. Việc ánh xạ một CID sang một SFID chỉ hiện hữu khi nối kết có một

service flow được thừ nhận hoặc được kích hoạt.

Provisioned QoS ParamSet. Thuộc tính này định nghĩa một tham số QoS dự trữ

qua những phương tiện mà chuẩn giả định là nằm bên ngoài phạm vi của nó. Chuẩn nêu

rõ rằng đây có thể là một phần của hệ thống quản lý mạng. Ví dụ, tên lớp đồng bộ (hoặc

QoS) là một thuộc tính của ProvisionedQoSParamSet

AdmittedQoSParamSet. Thuộc tính này định nghĩa một tập hợp tham số QoS

mà BS, và có lẽ là SS là những tài nguyên dành riêng. Nguồn tài nguyên chính cần được

dành riêng là băng thông, nhưng điều này cũng bao gồm bất kỳ tài nguyên dựa vào bộ

nhớ hoặc thời gian khác được yêu cầu để kích hoạt dòng sau đó.

35

ActiveQoSParamSet. Thuộc tính này định nghĩa một tập hợp tham số QoS xác

định dịch vụ thật sự được cung cấp cho service flow. Chỉ một service flow active (được

kích hoạt) có thể chuyển tiếp các gói. Trạng thái kích hoạt của service flow được quyết

định bởi ActiveQoSParamSet. Nếu ActiveQoSParamSet rỗng thì service flow không được

kích hoạt.

Authorisation module. Đây là một chức năng logic trong BS vốn chấp nhận

hoặc từ chối moij thay đổi đối với các tham số QoS và các classifier (bộ phân loại) được

kết hợp với một service flow. Do đó, nó định nghĩa một “đường bao” vốn giới hạn những

giá trị có thể có của AdmittedQoSParamSet và ActiveQoSParamSet

Chuẩn định nghĩa 3 loại service flow:

Provisioned service flows. Loại service flow này được định biết thông qua việc

dự trữ, ví dụ hệ thống quản lý mạng. AdmittedQoSParamSet và ActiveQoSParamSet của

nó đều rỗng.

Admitted service flow. Chuẩn hỗ trợ một mô hình kích hoạt hai giai đoạn

thường được sử dụng trong các ứng dụng điện thoai. Trong mô hình kích hoạt 2 giai đoạn,

các tài nguyên cho một cuộc gọi thường được “chấp nhận” (admitted) và sau đó, một khi

sự thương lượng từ đầu này đến đầu kia được hoàn tất, các tài nguyên được “kích hoạt”.

Active service flow. Loại service flow này có các tài nguyên được cam kết bởi

BS cho ActiveQoSParamSet của nó. ActiveQoSParamSet của nó không rỗng.

Service flows có thể được quản lý (tạo ra, thay đổi, xóa bỏ) bởi một chuỗi những tin

nhắn quản lý MAC:

- Dynamic Service Change (DSC),

- Dyanamic Service Delete (DSD), and

- Dynamic Service Activate (DSA).

2.2.2. Classes of service

Chuẩn IEEE 802.16 chỉ rõ 5 lớp dịch vụ:

1. Unsolicited Grant Service (UGS): Dịch vụ UGS được thiết kế để hỗ trợ

luồng dữ liệu thời gian thực với những gói dữ liệu có kích thước cố định ( ví dụ VoIP).

Nó cung cấp hầu hết việc lập thời biểu ngiêm ngặt, bảo vệ duy trì thông lượng, góc trễ, và

36

jitter tới những cấp độ cần thiết cho những dịch vụ hợp kênh phân chia theo thời gian.

Phép đo QoS là tốc độ lỗi gói tin ( PER) và tốc độ dịch vụ.

2. Extended Real-Time Polling Service (ertPS): Lớp ertPS đã được bổ sung

bởi điểm sửa đổi 802.16e. Chuẩn ấn định ertPS là cơ cấu lập thời biểu dựa vào hiệu suất

củca cả UGS và rtPS. BS cung cấp các phần cấp phát unicast theo một kiểu không yêu

cầu như UGS, do đó tiết kiệm thời gian trễ của một yêu cầu băng thông. Tuy nhiên, trong

khi các phần cấp phát UGS có kích cỡ cố định, các phần cấp phát ertPS có tính động.

ertPS thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực có tốc độ biến đổi với những yêu cầu tốc

độ dữ liệu và sự trễ. Một ví dụ là Voice over IP không có chức năng khử khoảng lặng.

3. Real-Time Polling Service (rtPS): Dịch vụ rtPS hỗ trợ lưu lượng thời gian

thực với kích thước gói tin thay đổi ( ví dụ hội nghị và luồng video MPEG). Nó cũng

cung cấp sự bảo đảm thông lượng và góc trễ nhưng với góc trễ có dung sai lớn hơn, làm

cho nó thích ứng với những ứng dụng hội nghị video. Những gói tin bị trễ không được sử

dụng và sẽ bị loại bỏ. Phép đo QoS là PER và độ trễ tối đa.

4. Non-Real-Time Polling Service (nrtPS): Dịch vụ nrtPS được thiết kế để hỗ

trợ những chuỗi dữ liệu trễ khả dụng với những gói dữ liệu có kích thước thay đổi ( ví dụ

FTP). Nó chỉ cung câp sự bảo đảm về thông lượng và do đó được phù hợp với những ứng

dụng dữ liệu tới hạn cái mà không phụ thuộc vào độ trễ ( ví dụ e-mail, FTP). Phép đo QoS

là PER và tốc độ dự trữ nhỏ nhất.

5. Best Effort (BE): những dịch vụ BE được sử dụng cho những luồng dữ liệu

không yêu cầu cấp độ dịch vụ nhỏ nhất và có thể được xử lí trên nền tảng không gian hợp

lý. Nó không cung cấp tất cả sự bảo đảm cho độ trễ hoặc thông lượng ( ví dụ HTTP). BE

thu băng thông dư sau khi băng thông được cấp phát tới kết nối của 3 lớp dịch vụ trước

2.3. Kiểu kiến trúc QoS và QoS Scheduling

2.3.1. Kiến trúc QoS

IEEE 802.16 có thể hỗ trợ nhiều dịch vụ thông tin liên lạc (dữ liệu, âm thanh, video)

với những nhu cầu QoS khác nhau. Lớp MAC định nghĩa chức năng và kỹ thuật báo hiệu

QoS có thể điều khiển việc truyền dữ liệu BS và SS. Trên đường xuống (từ BS tới SS),

việc truyền tương đối là đơn giản bởi vì BS chỉ có duy nhất một, BS truyền trong suốt

khung con downlink, do đó việc lập thời biểu DL đơn giản hơn nhiều so với việc lập thời

37

biểu UL. IEEE 802.16 định nghĩa kỹ thuật báo hiệu QoS được yêu cầu như BW-Request

và UL-MAP, nhưng nó không định nghĩa bộ lập thời biểu đường lên, ví dụ kỹ thuật quyết

định IEs trên UL-MAP. Mỗi kết nối trên chiều lên được ánh xạ tới dịch vụ lập thời biểu.

Mỗi dịch vụ lập thời biểu được kết hợp với 1 bộ quy tắc trình bày trong BS scheduler chịu

trách nhiệm đối với việc cấp phát dung lượng đường lên và giao thức request-grant giữa

SS và BS. Kỹ thuật chi tiết của những quy tắc và dịch vụ lập thời biểu được sử dụng cho

một kết nối đường lên đặc biệt được thương lượng tại thời gian thiết lập kết nối

Hình 2.12: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 [5]

2.3.2. QoS Scheduling

Khi một yêu cầu kết nối được ban, một dòng dịch vụ với những tham số QoS được

tạo ra cho kết nối. Những dịch vụ lập thời biểu là kỹ thuật xử lý dữ liệu để hỗ trợ bộ lập

thời biểu MAC cho việc chuyên chở dữ liệu trên kết nối. BS điều khiển cả việc lập thời

biểu UL và DL như được minh họa trong hình 2.14. Bộ lập thời biểu tính toán những yêu

cầu thông lượng và thời gian chờ cho lưu lượng UL và DL và cung cấp sự hỏi vòng và

cấp phát tại khoảng thời gian thích hợp. DL là quảng bá và bộ lập thời biểu được điền vào

38

trong mỗi burst dựa trên các thông số của các khung trong hàng đợi. Việc lập thời biểu

đường lên sử dụng biểu đồ hỏi vòng/cấp phát phức tạp hơn so với yêu cầu phối hợp giữa

BS và những SS riêng biệt.

Hình 2.13: Việc lập thời biểu DL và UL của BS [5]

2.3.2.1 UGS scheduling

Loại dịch vụ lập thời biểu UGS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian

thực, gồm các gói dữ liệu có kích cỡ cố định được phát ra tại các khoảng thời gian định

kỳ. Đây là trường hợp ví dụ cho truyền tín hiệu điện thoại PCM (Pulse Coded

Modulation) đặc trưng T1/E1 và Voice over IP không có chức năng khử khoảng lặng.

Trong một dịch vụ UGS, PS cung cấp các khoảng cấp phát dữ liệu có kích cỡ cố định tại

các khoảng thời gian định kỳ. Điều này loại bỏ hao phí và thời gian trễ của các yêu cầu

SS

2.3.2.2 rtPS scheduling

Loại dịch vụ lập thời biểu rtPS được thiết kế hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian thực,

gồm các gói dữ liệu có kích cỡ khả biến được phát ra tại các khoảng thời gian định kỳ.

Đây là trường hợp ví dụ cho việc truyền video MPEG (Moving Pictures Experts Group).

39

Trong dịch vụ này, BS có cơ hội yêu cầu (uplink) unicast theo định kỳ vốn đáp ứng

những nhu cầu thời gian thực của dòng và cho phép SS xác định kích cỡ của phần cấp

phát mong muốn. Dịch vụ này đòi hỏi nhiều hao phí yêu cầu hơn UGS, nhưng hỗ trợ các

kích cỡ cấp phát khả biến để đạt được hiệu suất vận chuyển dữ liệu thời gian thực tối ưu.

2.3.2.3 nrtPS scheduling

nrtPS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu có thể chịu đựng sự trễ, gồm các gói

dữ liệu có kích cỡ khả biến mà tốc độ dữ liệu tối thiểu được yêu cầu. Chuẩn xét rằng đây

là trường hợp ví dụ cho một cuộc truyền FTP. Trong dịch vụ lập thời biểu nrtPS, BS cung

cấp các cuộc kiểm tra vòng uplink unicast trên cơ sở đều đặn nhằm bảo đảm service flow

nhận các cơ hội yêu cầu thậm chí trong khi mạng bị tắc nghẽn. Chuẩn nêu rõ BS thường

kiểm tra vòng các CID nrtPS trên một khoảng thời gian là một giây trở xuống. Ngoài ra,

SS được cho phép để sử dụng các cơ hội yêu cầu tranh chấp, nghĩa là SS có thể sử dụng

các cơ hội yêu cầu tranh chấp cũng như các cơ hội yêu cầu unicast.

2.3.2.4 BE scheduling

Dịch vụ BE được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu mà không đòi hỏi sự bảo đảm

dịch vụ tối thiểu và do đó có thể được xử lý trên cở sở tốt nhất có sẵn. SS có thể sử dụng

các cơ hội yêu cầu tranh chấp cũng như các cơ hội yêu cầu unicast khi BS gởi bất kỳ. BS

không có bất kỳ trách nhiệm kiểm tra vòng yêu cầu uplink unicast cho các SS BE. Do đó,

một khoảng thời gian dài có thể chạy mà không truyền bất kỳ gói BE, điển hình khi mạng

đang ở trạng thái tắc nghẽn

2.3.2.5 ErtPS scheduling

Lớp ertPS đã được bổ sung bởi điểm sửa đổi 802.16e. Chuẩn ấn định ertPS là cơ cấu

lập thời biểu dựa vào hiệu suất củca cả UGS và rtPS. BS cung cấp các phần cấp phát

unicast theo một kiểu không yêu cầu như UGS, do đó tiết kiệm thời gian trễ của một yêu

cầu băng thông. Tuy nhiên, trong khi các phần cấp phát UGS có kích cỡ cố định, các phần

cấp phát ertPS có tính động. ertPS thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực có tốc độ

biến đổi với những yêu cầu tốc độ dữ liệu và sự trễ. Một ví dụ là Voice over IP không có

chức năng khử khoảng lặng.

40

CHƯƠNG 3

Thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động dựa trên phản

tiếp kép

3.1. Giới thiệu

Trong những năm gần đây, mạng truy cập không dây băng rộng đã phát triển nhanh

chóng để thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng cho việc truy cập dịch vụ

băng rộng ở khắp mọi nơi như hội nghị video, luồng đa phương tiện thời gian thực,

IPTV, cũng như các dịch vụ Internet truyền thống trên môi trường không dây di động.

Việc xuất hiện mạng BWA IEEE 802.16e, được gọi là WiMAX di động, là một

trong những giải pháp triển vọng nhất cho việc truy cập không dây băng rộng để hỗ trợ

tốc độ dữ liệu cao, tính di động cao, và độ phủ sóng rộng mà giá thành thấp. Năm

2006, dịch vụ băng rộng không dây (WiBro), WiMAX di dộng, là dịch vụ thương mại

đầu tiên trên thế giới, đã đươc triển khai tại Hàn Quốc và SPRINT đã lắp đặt và cung cấp

các dịch vụ WiMAX di động tại Mỹ từ tháng 4-2008. Với sự phát triển nhanh chóng các

dịch vụ thời gian thực, đa phương tiện, việc cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) trong

mạng BWA đang là một vấn đề ràng buộc và thách thức.

Để hỗ trợ QoS cho các loại lưu lượng thay đổi, giao thức điều khiển thâm nhập

môi trường (MAC) IEEE 802.16 định nghĩa cơ cấu yêu cầu- cấp phát băng thông riêng

và năm loại sơ đồ được phân loại: Dịch vụ cấp phát không yêu cầu (UGS), dịch vụ hỏi

vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực(nrtPS), dịch vụ cố gắng

nhất (BE), và dịch vụ thời gian thực mở rộng (ertPS). Cả UGS và rtPS được đề xuất để

hỗ trợ dịch vụ thời gian thực tạo các gói có chu kỳ. Trong khi UGS thích hợp cho lưu

lượng tốc độ bít cố định (CBR) như thoại qua giao thức internet (VoIP), rtPS thích hợp

cho lưu lượng tốc độ bít thay đổi (VBR) như video MPEG. Sơ đồ UGS có thể tối thiểu

hoá độ trễ trong việc xử lý yêu cầu -cấp phát băng thông, tuy nhiên tại cùng thời điểm, nó

phải lãng phí băng thông hay dùng không hiệu quả băng thông với lưu lượng VBR. Mặt

41

khác, với kỹ thuật rtPS, băng thông được tận dụng hiệu quả ở chi phí độ trễ bổ sung do

việc yêu cầu băng thông dựa trên nhu cầu. Việc tạo ra sự cân bằng giữa độ trễ tối thiểu và

việc sử dụng được tối đa, ertPS được giới thiệu trong IEEE 802.16e, một bản hiệu chỉnh

của IEEE 802.16-2004. Giống với UGS, kỹ thuật ertPS cấp phát băng thông theo chu kỳ

mà không có bất cứ yêu cầu nào để tối thiểu hoá độ trễ. Cũng giống như cách của rtPS,

nó có thể điều chỉnh cỡ băng thông cấp phát để việc sử dụng được tối đa. Tuy nhiên,

thuật toán yêu cầu - cấp phát vài băng thông đặc biệt không được tiêu chuẩn hoá để

việc thực thi riêng này có thể được sử dụng bởi các nhà cung cấp thiết bị. Mặc dù có

một vài đề xuất về khung truyền và thuật toán cho chất lượng dich vụ cho mạng

BWA, nhưng họ chủ yểu tập trung vào kiến trúc QoS và lưu đồ thuật toán cho một trạm

cơ sở để thoả mãn các yêu cầu QoS khác nhau, thay vì thuật toán yêu cầu băng thông

phía trạm thuê bao.

Trong bài khóa luận này, chúng ta đưa ra một thuật toán yêu cầu băng thông uplink

hiệu quả và đơn giản cho kỹ thuật ertPS, mục tiêu để tối thiểu hoá sự lãng phí băng

thông mà không hạ thấp QoS . Ý tưởng chính cho thuật toán này là sự gấp đôi

(twofold)

Để duy trì sự thoả mãn về QoS, chúng ta giới thiệu một khái niệm mục tiêu

trễ (target delay) vd độ trễ cho phép trong lớp MAC có thể bị cắt thành giá trị đích của

chiều dài hàng đợi truyền.

Ngoài ra, để việc sử dụng được cực đại, ta triển khai một kiến trúc phản phản

tiếp. Một sự khác nhau giữa số lưu lượng tích trữ trong hàng đợi truyền và giá trị đích của

nó và những cái khác cho sự không thích ứng giữa gói đến và tốc độ dịch vụ.

Với việc sử dụng phản phản tiếp, thuật toán này tính toán động số lượng băng thông

yêu cầu để việc lãng phí băng thông được tối thiểu. Đồng thời, nó có thể tối thiểu sự vi

phạm độ trễ và biến động trễ, bằng việc điều khiển độ trễ dich vụ lớp MAC quanh mức

mong muốn. Hơn nữa, nó đáp ứng nhanh chóng và ổn định với lưu lượng tải biến đổi và

điều kiện mạng thay đổi, vì kiến trúc phản phản tiếp. Dựa trên phương pháp lý thuyết

điều khiển, chúng ta phân tích sự thực thi và tính ổn định của thuật toán và đưa ra hướng

dẫn thiết kế đơn giản. Chúng ta cũng thực thi thuật toán sử dụng mô phỏng MATLAB, và

thực thi mô phỏng mở rộng. Kết quả mô phỏng nhằm xác nhận lại thuật toán có thể tối

thiểu hoá băng thông lãng phí và điều chỉnh độ trễ quanh mức mong muốn với độ rung

42

pha được giảm đáng kể. Trong bài khóa luận này, chúng ta không đề cập đến kỹ thuật

yêu cầu băng thông uplink cho lưu lượng VBR, vì sơ đồ downlink không bao gồm quá

trình yêu cầu - cấp phát một vài băng thông và điều chỉnh cỡ băng thông yêu cầu không

cần thiểt cho lưu lượng CBR.

3.2. Kiến trúc QoS của IEEE 802.16

3.2.1. Cơ cấu lập lịch (Scheduling framework)

Kiến trúc điểm-đa điểm (PMP) của mạng BWA IEEE 802.16, tức là việc truyền chỉ

xuất hiện giữa một trạm cơ sở (BS) và trạm thuê bao (SSs). BS điều khiến tất cả các liên

lạc giữa BS và SSs. Tất cả việc truyền đều liên quan đến kết nối đơn hướng, cái mà liên

quan đến luồng dịch vụ đặc trưng bởi bộ thông số QoS vd độ trễ cho phép, tốc độ lưu

lượng tối thiểu, tối đa. Kết nối này có thế là kênh xuống (downlink) (từ BS tới SS) hoặc

kênh lên (uplink) (từ SS tới BS), mỗi cái lần lượt được định nghĩa như là DL hoặc UL.

Khi thiết lập một kết nối, một điều khiển nạp kết nối riêng được thực hiện tại BS. Một

khi kết nối được cho phép. Bộ lập lịch trong BS sẽ lập lịch kết nối DL và UL độc lập.

Chúng cũng được phục vụ trong vùng phân chia của khung ở lớp vật lý, vd đa truy cập

phân chia tần số trực giao với khung song công phân chia theo thời gian. Kênh DL là một

kênh quảng bá, trong khi đó kênh UL được chia sẻ bởi vài SSs theo cách thức mà một SS

yêu cầu băng thông được yêu cầu của nó và BS sẽ cấp phát nó bằng lập lịch của tất cả các

yêu cầu từ SSs. Bộ lập lịch trong BS tạo và phát quảng bá bản tin MAP bao gồm

kênh 2 chiều (thời gian và tần số) cấp phát thông tin cho các kết nối DL và UL. Bản tin

MAP của UL chỉ rõ thời gian khi một SS có thể truyền nó có thể thực hiện trong bao lâu,

và kênh phụ nào nó có thể chiếm.

Phụ thuộc vào loại lập lịch, có vài cách yêu cầu băng thông:

(i) Không có bất cứ yêu cầu từ SS, BS cấp phát băng thông theo chu kỳ,

(ii) SS nhận một cơ hội yêu cầu băng thông theo chu kỳ từ BS, hỏi vòng,

(iii) SS phản đối cơ hội yêu cầu băng thông

3.2.2 Kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông uplink

Tiêu chuẩn của IEEE 802.16-2004 định nghĩa 4 loại lập lịch uplink:

43

UGS: loại này có độ ưu tiên dịch vụ cao nhất và được thiết kế để hỗ trợ cho lưu

lượng CBR vd lưu lương VoIP. Khi thiết lập kêt nối UGS, SS thiết lập yêu cầu băng

thông của nó và độ trễ cho phép tối đa. Sau đó, BS cấp phát số lượng băng thông yêu cầu

theo chu kỳ. Vì vậy, UGS co thể ước lượng được tiêu đề và độ trễ kết quả từ quá trình

yêu cầu-cấp phát băng thông. Nó thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu cấp phát băng

thông cố định với độ trễ và độ biến động là tối thiểu.

rtPS: Cho lưu lượng VBR thời gian thực tạo các gói có kích thước thay đổi theo

chu kỳ vd video MPEG. Bằng việc hỏi vòng tại mỗi khoảng thời gian được đưa ra, BS

đưa ra cơ hội yêu cầu tới SSs. Sau đó, SS yêu cầu băng thông mà không phản đối với

các SSs khác. Trong khi UGS là loại đầu tiên yêu cầu băng thông, thì rtPS lại phản ứng

với nhu cầu băng thông. Do đó, rtPS liên quan đến độ trễ bổ sung trong quá trình yêu

cầu-cấp phát băng thông.

nrtPS: Loại lập lich này được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng VBR không thời gian

thực, yêu cầu đảm bảo băng thông tối thiểu nhưng không nhạy với độ trễ vd FTP. Loại

lập lich nrtPS sử dụng kỹ thuật hỏi vòng giống rtPS, tuy nhiên nó cho phép phản đối cơ

hội yêu cầu băng thông không theo chu kỳ.

BE: Cho lưu lượng best effort, không có bất cứ yêu cầu QoS đặc trưng nào. Vd

email hay web. BS không đưa ra bất cứ cơ hội yêu cầu dành nào riêng nào tới SSs, và SS

gửi bản tin yêu cầu băng thông theo phương thức dựa trên sự tranh chấp.

Ngoài 4 phân loại dich vụ trên, IEEE 802.16e còn giới thiệu thêm các loại dịch vụ

khác.

ertPS: Cơ bản giống với UGS, ngoại trừ ertPS có thể thay đổi số lượng băng thông

cấp phát động dựa trên những đặc tính lưu lượng. Khi dò tìm thì băng thông được cấp

phát là không đủ để xử lý các gói đúng lúc, SS yêu cầu băng thông bổ sung bằng việc

kèm thêm số lượng của nó trên phần header của gói. Ngược lại nếu băng thông được cấp

phát mà mở rộng, thì SS có thể yêu cầu giảm số lượng băng thông cấp phát. Do đó, ertPS

phù hợp vói lưu lượng VBR thời gian thực và lưu lượng VoIP với việc triệt hạ được điểm

lặng.

Tóm lại, yêu cầu băng thông cho UGS được thực hiện theo một phương thức không

yêu cầu và với rtPS và nrtPS theo phương thức hỏi vòng và dịch vụ BE chống đối lại cơ

hội yêu cầu băng thông. Mặt khác, cấp phát băng thông cho UGS được thực hiện dựa trên

44

sự dành sẵn và rtPS, nrtPS và BE được thực hiện dựa trên nhu cầu. Loại ertPS thực hiện

phương pháp lai ghép trong việc yêu cầu và cấp phát băng thông.

3.3 Thuật toán yêu cầu băng thông động [3]

3.3.1 Cơ sở thiết kế

Mục tiêu thiết kế của thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động cho ertPS là:

Ước lượng được băng thông yêu cầu đúng lúc và chính xác.

Không lãng phí băng thông và cũng không phải thiếu băng thông.

Phải tối thiểu hóa vi phạm đòi hỏi về độ trễ

Để đạt được những mục đích đó, khái niệm mục tiêu trễ và phản phản tiếp đã được

đề nghị trong [3]

3.3.1.1.Giới thiệu về mục tiêu trễ (target delay)

Mục tiêu trễ đóng vai trò chính trong việc xác định số lượng băng thông phải điều

chỉnh. Hầu hết các dịch vụ thời gian thực có độ trễ điểm tới điểm đến một mức mà QoS

không bị suy giảm, vd 100 ~ 200ms cho dịch vụ VoIP và vài trăm miligiây cho dịch vụ

phát luồng (streaming). Bằng cách dùng mục tiêu trễ cho phép này chúng ta có thể đặt

một mục tiêu trễ từ MAC tới MAC, Tref (sec) và chuyển nó thành mục tiêu chiều

dài Qref(byte), của hàng đợi truyền, theo các giả thiết hợp lý sau đây.

Một kiểm soát cho truy nhập vào được áp dụng cho các dịch vụ thời

gian thực để tổng số lượng băng thông yêu cầu của chúng không được qua dung lượng

kênh có sẵn trên bình quân.

Bộ lập lịch dùng thuật toán lập lịch ưu tiên nghiêm ngặt để cấp phát băng thông

cho các dịch vụ thời gian thực với độ ưu tiên cao.

Một kết nối ertPS được thiết lập thế nào để khoảng thời gian cấp phát băng thông

cho nó Ta (sec) bằng khoảng thời gian gói hóa của dịch vụ thời gian thực, luôn ổn định.

Dung lượng backhaul của đường kênh kết nối mạng truy cập không dây tới

mạng có dây là đủ lớn để không gây nên bất cứ trễ hàng đợi nào trong BS cho kết nối

45

UL.

Với những giả thiết đó, Qref có thể được biểu diễn theo Tref và Ta như sau:

Qref=

Trong đó

(byte) nghĩa là cỡ gói trung bình và T0 (sec) thể hiện những độ trễ khác ngoại trừ

độ trễ hàng đợi, vd độ trễ xử lý tại lớp MAC và trễ truyền qua kênh không dây. Đáng chú

ý là Tref không bao gồm độ trễ mã hóa, trễ gói hóa, và trễ bộ đệm tại lớp ứng dụng. Ta cho

cỡ của hàng đợi truyền là q(t) (byte) và băng thông bổ sung yêu cầu cho q(t) là bq(t)

(byte/sec). Khi q(t) tăng qua Qref, bq(t) cần phải tăng theo để thoả mãn độ trễ yêu cầu.

Bây giờ, ta xem xét một vài phương pháp để tính toán bq(t), Ta định nghĩa b là

số lượng băng thông cần thiết để truyền một gói mà cỡ của nó là .

a. Hàm nhảy bậc b. Hàm tuyến tính c. hàm không tuyến tính

Hình 3.1: Một vài hàm để tính toán băng thông bổ sung yêu cầu phụ thuộc vào

chiều dài hàng đợi[3].

Như chỉ ra trong hình 3.1a cách thô sơ để điều khiển băng thông yêu cầu là:

Băng thông yêu cầu tăng thêm b nếu q(t) lớn hơn một giá trị ngưỡng tối đa

(>Qref) và giảm đi b nếu q(t) xuống thấp hơn một giá trị ngưỡng tối thiểu (<Qref).

46

Một cách khác, chúng ta có thể tính bq(t) theo tỷ lệ với sự khác nhau giữa q(t)

và Qref như chỉ ra trong hình 3.1b. Trong phương pháp này, chúng ta có thể đặt giới

hạn dưới và giới hạn trên cho bq(t), được định nghĩa lần lượt là max (>0) và min

(<0) để tránh thay đổi đột ngột cho bq(t).

Ta cũng có thể xét một hàm không tuyến tính để tính bq(t) như chỉ ra trong hình

3.1c. Trong phương pháp này, bq(t) thay đổi rất nhanh khi có sự sai lệch giữa q(t) và

Qref tăng.

3.3.1.2 Phương pháp phản tiếp kép (dual feedback)

Điều khiển yêu cầu băng thông dựa trên chiều dài hàng đợi, bq(t), đáp ứng

chậm với sự thay đổi của tốc độ gói đến bởi vì bq(t) thay đổi sau khi phát hiện độ lệch

của chiều dài hàng đợi từ mức mong muốn. Để có đáp ứng nhanh chúng ta giới thiệu

phương pháp phản hồi kép bao gồm hai vòng lặp phản hồi cho chiều dài hàng đợi và cho

tốc độ gói. Ta định nghĩa tốc độ gói đến và tốc độ được kênh cung ứng (tức tốc độ gói

kênh cho đi) lần lượt là a(t) và s(t) (byte/giây), và một yêu cầu băng thông bổ sung khi

không khớp tốc độ là br(t) (byte/giây). Cũng như thông tin của chiều dài hàng đợi

không khớp, eq(t)=q(t)-Qref, được sử dụng để tính toán bq(t), thông tin về tốc độ

không khớp, er(t)=a(t)-s(t), được tận dụng để tính br(t). Khi tốc độ đến của gói đến

vượt qua tốc độ gói đi, tức là a(t) > s(t), thì những gói này bắt đầu được tích tụ. Trong

trường hợp này, br(t) phải dương để phục vụ tức thời các gói này mà không vi phạm

đòi hỏi về độ trễ. Mặt khác, nếu a(t) <s(t), chiều dài hàng đợi có xu hướng giảm. Trong

trường hợp này, sẽ yêu cầu băng thông ít hơn và br(t) trở thành âm để không lãng phi

băng thông. Phản tiếp tốc độ cung cấp thông tin dự đoán về chiều dài hàng đợi. Do đó,

điều khiển yêu cầu băng thông dựa trên phản tiếp tốc độ cho ta đáp ứng dự đoán cho

sự thay đổi chiều dài hàng đợi, và cung cấp đáp ứng nhanh cho sự thay đổi tốc độ gói

đến. Toàn bộ yêu cầu băng thông bổ sung của kiến trúc phản hồi kép, B(t), bao gồm

thành phần dựa trên hàng đợi bq(t) và thành phần dựa trên tốc độ br(t) và có thể biểu

diễn dưới dạng chung như sau:

47

B(t)= bq(t) + br(t) (2)

= f(eq(t)) + g(er(t))

Trong đó f(.) và g(.) là các hàm không âm như cho thấy trong hình 3.1.

3.3.2. Thuật toán và các vấn đề thực thi

Trong phần này, ta sẽ cung cấp một thuật toán chi tiết cho thuật toán yêu cầu

băng thông và thảo luận vài vấn đề về phần tiêu đề và thực thi nó. Từ (2), chúng ta xem

xét những hàm tuyến tính f(.) và g(.) đơn giản sau:

B(t)= Kqeq(t) + Krer(t) (3)

Trong đó thông số Kq và Kr là các hằng số điều khiển mà có giá trị không âm.

Trong (3), tốc độ không khớp er(t) có thể được biểu diễn bằng không khớp về chiều

dài hàng đợi, tức là:

er(t) = a(t)-s(t)

= q(t)= eq(t), với 0 < q(t) <Qmax (4)

với Qmax là cỡ chiều dài hàng đợi tối đa. Để thực thi thuật toán này, chúng ta cần

chuyển đổi hàm thời gian liên tục B(t) thành hàm thời gian rời rạc bằng cách lấy mẫu

mọi chu kỳ cấp phát băng thông, tức là B[n]=B(nTa), trong đó n là số nguyên không

âm. Ta lấy xấp xỉ đạo hàm bằng cách sử dụng xấp xỉ Euler bậc một,

tức là:

eq(t) ≈ (5)

Từ (3)-(5), chúng ta có thể tính toán yêu cầu băng thông B[n] chỉ sử dụng giá trị

hiện tại và trước đó của lỗi chiều dài hàng đợi. Nhớ rằng B[n] chỉ là tăng hay giảm của

yêu cầu băng thông trong suốt khoảng thời gian cấp phát thứ n và toàn bộ yêu cầu băng

thông tương ứng trong suốt khoảng thời gian này, B[n] trở thành:

B[n] =max (B[n-1] + B[n] , Bmin) (6)

Trong đó Bmin là số lượng cấp phát băng thông tối thiếu được yêu cầu cho vấn đề

yêu cầu băng thông.

Sau khi tính toán băng thông bổ sung B[n], SS truyền tới BS băng thông B[n],

bằng cách truyền nó trên trường EPBR trong tiêu đề con của gói quản lý cấp phát (grant

management subheader) của gói. Cỡ của trường EPBR là 11 bít và nó có 2 mode hoạt

động, mode tăng dần và mode gộp lại. Nếu bit đầu tiên của EPBR được đặt là zero, thì 10

bit còn lại sẽ thể hiện yêu cầu băng thông tăng dần, ngược lại chúng thể hiện yêu cầu

băng thông gộp. Do đó, nếu B[n] > 0, nó có thể mang hai mode tăng dần và gộp lại.

Ngược lại nếu B[n] <0, SS sẽ tính B[n] như trong (6) và mang giá trị này đi với mode

gộp lại.

Để áp dụng thuật toán này cho trường hợp lưu lượng on-off, vd lưu lượng VoIP với

khoảng im lặng bị khống chế, ta cần chi tiết thuật toán này. Nếu chiều dài hàng đợi giữ ở

mức 0 dài hơn một thời gian ngưỡng cho trước, ta sẽ xác định rằng kết nối này trở

thành không hoạt động và dừng ngay quá trình điều hợp cho yêu cầu băng thông. Trong

suốt chu kỳ này, yêu cầu tổng băng thông trở thành giá trị tối thiểu của nó. Nếu kết nối

này trở thành hoạt động trở lại, điều này có thể biết được một khi chiều dài hàng đợi

dài hơn mức zero, ta khởi động lại quá trình điều hợp với giá trị khởi đầu của B[n], được

thông báo bởi các thông số QoS của kết nối.

Phần thông tin chi phí tối thiểu (overhead) liên quan đến cỏng lưng (piggybacking)

yêu cầu băng thông là 2 byte, là cỡ của tiêu đề con của gói quản lý cấp phát, nghĩa là

Bmin=2 trong phương trình (6). Chú ý rằng thông tin chi phí tối thiểu này là không thể

tránh khỏi trong các dịch vụ lập lịch thời gian thực của IEEE 802.16 ( vd UGS và rtPS,

cũng như ertPS). Mặt khác, thời gian tính toán của thuật toán này là không đáng kể. Số

bước tính toán là khá nhỏ và SS chỉ phả i t heo dõ i g i á t r ị hiện tại và giá trị trước

đó của chiều dài hàng đợi của nó mà không phải ước lượng tốc độ gói đến và tốc độ

gói được t ruyền đi . Hơn nữa, việc tính yêu cầu băng thông được thực hiện bởi mỗi

SS theo cách thức phân bố. Do vậy, thuật toán này không làm giảm tính khả năng co

giãn (scalability) của BS. Mặc dù kiến trúc phản hồi kép được phát triển cho loại lập

lịch ertPS, nhưng nó có thể áp dụng cho loại rtPS mà không cần sự thay đổi đáng kể nào

và nó có thể nới rộng hơn cho các cơ cấu lập lịch khác dựa trên yêu cầu.

3.4. Phân tích thuật toán

Mô hình hệ thống sẽ được trình bày và trạng thái ổn định được phân tích từ quan

điểm lý thuyết điều khiển. Dựa trên sự phân tích này, một thiết kế đơn giản cho những

tham số điều khiển sẽ được cung cấp

3.4.1. Mô hình hệ thống

Ta có thể mô hình hóa kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông được mô tả trong mục

trên với 3 phương trình động (i) độ sai lệch chiều dài hàng đợi, (ii) yêu cầu băng thông

thêm vào, và (iii) yêu cầu băng thông tổng. Để dễ xử lý, ta khảo sát mô hình thời gian liên

tục thay vì mô hình thời gian rời rạc. Từ (3), (4), (6), toàn bộ hệ thống có thể được coi

như hệ thống phản tiếp tuyến tính bậc 3 với trễ thời gian:

e’q(t) = a(t) – s(t) (7)

∆‘B(t) = Kqe’q(t) + Kre’’

q(t) (8)

B’(t) = (9)

s(t) = (10)

Phương trình động (9) thu được từ (6) với giả thiết rằng B[n-1] + B[n] > Bmin. Ở

đây, (10) mô tả mô hình của thuật toán cấp phát băng thông ở BS và ( 1) định nghĩa tỷ

số giữa băng thông được cấp phát bởi BS với băng thông được yêu cầu bởi SS. Dưới

những giả thiết của kiểm soát truy nhập vào và việc lập lịch ưu tiên đề ra ở trên, trung

bình 1.

Ta nghiên cứu đặc tính và tính ổn định của kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông đã

được đề nghị bằng cách sử dụng hàm truyền. Sử dụng biến đổi Laplace cho mô hình hệ

thống được miêu tả trong (7) – (10) và xấp xỉ thời gian trễ như sự trễ bậc 1, ví dụ e-sTa 1/

(1 + Tas), chúng ta có hàm truyền bên dưới:

G(s) = = (11)

Hàm truyền (11) được đặc trưng bởi 2 tham số điều khiển (Kq và Kr) và khoảng thời

gian cấp phát băng thông Ta.

3.4.2. Ảnh hưởng của những tham số điều khiển

Trong mục nhỏ này, ta nghiên cứu thuật toán đề nghị dùng phân tích số. Để phép

phân tích được đơn giản, ta giả sử rằng cỡ hàng đợi lớn nhất là vô hạn và đặt = 1. Hình

3.2(a) và 3.2(b) chỉ ra đáp ứng xung của hệ thống được đề nghị với một vài giá trị của Kq

và Kr. Đáp ứng xung chỉ ra cách eq(t) suy giảm và trở nên ổn định với xung đầu vào a(t).

Giá trị mặc định của Kq và Kr đặt là 0,05 và 0,01. Đầu tiên, chúng ta nghiên cứu ảnh

hưởng của Kq từ hình 2(a). Nếu Kq = 0,01, eq(t) hội tụ tới zero với sự dao động không

đáng kể. Tuy nhiên sự dao động của eq(t) tăng khi giá trị của Kq tăng. Với một vài giá trị

tới hạn của Kq, ví dụ 0,2 trong sự phân tích số này, eq(t) dao động liên tục mà không hội

tụ. Hơn nữa, ta thấy rằng nó phân kỳ khi Kq vượt quá giá trị tới hạn này. Tiếp theo, ta

quan sát ảnh hưởng của Kr trên sự ổn định của hệ thống từ hình 2(b). Trong trường hợp Kr

= 0,002, eq(t) dao động liên tục và phân kỳ, hàm ý rằng tổng số băng thông yêu cầu có thể

tăng vô hạn. Tuy nhiên, nếu giá trị của Kr vượt quá giá trị ngưỡng này, hệ thống trở nên

ổn định và độ dao động của eq(t) giảm khi Kr tăng. Bằng việc so sánh hình 3.2(a) và hình

3.2(b), chúng ta có thể thấy:

(a) Ảnh hưởng của Kq (b) Ảnh hưởng của Kr

Hình 3.2: Đáp ứng xung của hệ thống với những giá trị khác nhau của tham

số điều khiển [3]

Hệ thống trở nên không ổn định khi Kq tăng hoặc Kr giảm.

Nếu ta không dùng điều khiển băng thông yêu cầu dựa trên tốc độ nghĩa là KD =

0 thì eq(t) trở nên phân kỳ.

Những kết quả phân tích trên hỗ trợ tầm quan trọng của kiến trúc phản tiếp, nó đã

truyền thông tin về sự sai lệch độ dài hàng đợi và sự không phù hợp tốc độ

3.4.3. Phân tích tính ổn định

Như được chỉ ra trong hình 2, độ dài hàng đợi tiến tới giá trị mong muốn tùy thuộc

vào tham số điều khiển. Thật tối quan trọng là ta phải tìm ra điều kiện cho các tham số

điều khiển để đảm bảo hệ thống được ổn định. Với mục đích này ta cung cấp điều luật ổn

định dưới đây để có thể được sử dụng khi thiết kế cho những tham số điều khiển.

ĐỊNH ĐỀ: Hệ thống yêu cầu cấp phát băng thông sử dụng kiến trúc phản tiếp kép là

ổn định, nghĩa là chiều dài hàng đợi hội tụ tới giá trị đích mong muốn trong trạng thái ổn

định, nếu và chỉ nếu những tham số điều khiển thỏa mãn điều kiện dưới đây.

Kr - TaKq > 0 (12)

Chứng minh:

Từ (11), phương trình đặc trưng được cho là:

s + s + (Krs + Kq) = 0 (13)

Ta định nghĩa hệ số của số hạng thứ n trong (13) là an, ví dụ, a2 = 1/Ta. Do hệ thống

đã cho là hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian, điều kiện ổn định có thể tìm được

bằng cách áp dụng điều kiện Routh-Hurwitz cho (13). Kết quả điều kiện trở thành a1a2 –

a3a0 > 0, chính là (12).

HỆ QUẢ: Hệ thống yêu cầu-cấp phát băng thông mà không dùng điều khiển dựa

trên tốc độ là không ổn định, bất chấp tới sự tăng thêm của giá trị điều khiển dựa trên

hàng đợi. Do đó, phản tiếp tốc độ rất là quan trọng cho sự ổn định.

Chứng minh: Hiển nhiên là điều kiện ổn định (12) không thể thỏa mãn với Kr = 0.

CHƯƠNG 4

Mô phỏng sử dụng Matlab

Trong chương này, ta trình bày một thuật toán tốt hơn và chính xác hơn cho việc

điều khiển yêu cầu băng thông dựa trên phản tiếp kép được đề nghị trong [3] và sử dụng

ngôn ngữ MATLAB để khảo sát tính ổn định của hệ thống.

4.1 Thuật toán cải tiến

Thuật toán thừa nhận rằng khoảng thời gian cấp phát băng thông Ta (sec) là bằng với

khoảng thời gian gói hóa của dịch vụ thời gian thực, là hằng số. Mối quan hệ giữa mục

tiêu trễ từ MAC tới MAC cho phép, Tref của dịch vụ và mục tiêu chiều dài hang đợi truyền

tương ứng, Qref (bytes), là

(1)

(bytes) là cỡ gói trung bình và T0 thể hiện những độ trễ khác ngoại trừ độ trễ hàng

đợi.

Đặt q(t) là chiều dài hàng đợi tức thời, a(t) và s(t) lần lượt là tốc độ gói đến (tới kênh

không dây) và tốc độ gói đi (từ kênh), toàn bộ yêu cầu băng thông ở thời điểm t là B(t) và

yêu cầu thêm vào là ΔB(t), sau đó trong một hệ thống hồi tiếp kép ΔB(t) có hai thành

phần: một suy ra từ sự không phù hợp về chiều dài hàng đợi eq(t)=q(t)-Qref và cái khác suy

ra từ sự không phù hợp về tốc độ truyền er(t)=a(t)-s(t). Nhận thấy rằng đơn vị của eq(t) là

byte trong khi đơn vị của er(t) là byte/sec, chúng ta có thể nhận thấy rằng Kr trong phương

trình (3) của [3] không là hằng số nhưng có đơn vị của thời gian phụ thuộc vào khoảng

thời gian gói đi Ta. Do đó ta đề nghị biến đổi thuật toán trong [3] thành

(2)

Sử dụng phương pháp tương tự trong [3], hàm truyền của kỹ thuật yêu cầu-cấp phát

băng thông dựa trên thuật toán hồi tiếp kép mà ta đã biến đổi là

(3)

Bằng việc áp dụng điều kiện ổn định Routh-Hurwitz tới hàm truyền bên trên, nó có

thể dễ dàng chỉ ra rằng thuật toán hồi tiếp kép mà ta đã biến đổi là ổn định nếu và chỉ nếu

Cr > Kq (4)

Không chú ý tới Ta.

4.2 Mô phỏng

Ta khảo sát tính ổn định của thuật toán điều khiển băng thông yêu cầu dựa trên phản

tiếp kép được cải tiến như đã đưa ra ở trên. Ta sẽ vẽ đáp ứng xung của hệ thống có hàm

truyền là (3) và đánh giá tính ổn định khi các thông số Cr và Kq thay đổi. Từ đó chỉ ra rằng

điều kiện (4) là đúng.

Hình 4.1: Đáp ứng xung của hệ thống

Trong hình 4.1 ta sẽ xem xét tính ổn định của hệ thống. Với C r=0.25 đáp ứng xung

hội tụ tới 0 với sự dao động không đáng kể. Với cùng giá trị Kq, Khi Cr suy giảm thì sự

dao động tăng dần. Hệ thống trở nên không ổn định khi giá trị C r tiến tới giá trị nhỏ hơn

hoặc bằng Kq. Cụ thể trong hình 4.1 là giá trị Cr=0.15

Thời gian khảo sát càng kéo dài thì đường đỏ càng hội tụ dần về 0 (hệ thống càng ổn

định) , độ dao động ứng với đường xanh càng lớn (mất dần tính ổn định).

Hình 4.2: Đáp ứng xung của hệ thống

Tiếp theo ta xem xét ảnh hưởng của các tham số Cr, Kq tới tính ổn định của hệ thống

trong hình 4.2. Khi Cr=0.15<Kq=0.2 đáp ứng xung dao động liên tục và phân kỳ, có nghĩa

là tổng số băng thông yêu cầu có thể tăng vô hạn. Khi Cr tăng vượt qua giá trị Kq=0.2 mà

cụ thể trong hình 4.2 là 0.25 thì hệ thống trở nên ổn định

Bằng việc so sánh giữa hình 4.1 và 4.2 ta rút ra được những nhận xét sau đây:

Tính ổn định của hệ thống không phụ thuộc vào thời gian cấp phát băng thông

Ta. Thời gian Ta chỉ ảnh hưởng tới tốc độ đáp ứng của hệ thống. Ta càng nhỏ

thì nếu hệ thống là ổn định thì đáp ứng hội tụ về 0 với tốc độ nhanh, nếu hệ

thống không ổn định thì đáp ứng phân kỳ với tốc độ chậm hơn.

Các tham số Cr, Kq quyết định tới tính ổn định của hệ thống.

Hình 4.3: Đáp ứng xung của hệ thống

Trong hình 4.3 với giá trị Cr=0.5 được giữ cố định ta cho Kq các giá trị lần lượt là

0.01 (đường màu đỏ), 0.1 (đường màu xanh). Với cả 2 giá trị Kq hệ thống đều ổn định

nhưng có sự khác nhau về sự mức độ dao động và tốc độ hội tụ về 0.

Trong khoảng thời gian khảo sát từ 0 tới 0.2 (sec) với Kq=0.1 thì độ dao động của hệ

thống là lớn hơn rất nhiều so với Kq=0.01. Từ khoảng thời gian 0.2 (sec) trở hệ thống ứng

với Kq=0.1 lại hội tụ nhanh về giá trị 0 hơn và ổn định hơn.

Hình 4.4: Đáp ứng xung của hệ thống

Trong hình 4.4 ta khảo sát tính ổn định với giá trị thay đổi là Cr.

Khi Cr=0.25 hệ thống ổn định và hội tụ dần về 0. Với Cr=0.1 đáp ứng xung phân kỳ,

hệ thống không ổn định. Từ đó ta nhận thấy với giá trị Cr>Kq hệ thống là ổn định

So sánh hình 4.3 và 4.4 với chú ý rằng Kr=Cr.Ta ta thấy dạng đồ thi ứng với hàm

truyền G(s) trong thuật toán cải tiến là giống với dạng đồ thị ta đã nêu ra ở trong hình 3.2.

Điều đó chứng tỏ rằng ta có thể thay thế hàm truyền G(s) chỉ ra trong [3] bằng hàm truyền

của thuật toán cải tiến chỉ với các tham số Cr, Kq. Hơn nữa, với hàm truyền này điều kiện

ổn định của hệ thống sẽ chỉ là Cr>Kq, không phụ thuộc vào thời gian cấp phát băng thông

Ta.

CHƯƠNG 5

Kết luận

Ta đã đưa ra thuật kỹ thuật yêu cầu băng thông động cho luu lượng thời gian thực

VBR trong mạng truy cập không dây băng rộng IEEE 802.16. Bằng việc giới thiệu khái

niệm về mục tiêu trễ, trễ cho phép của dịch vụ thời gian thực, ta có thể tính toán động

toàn bộ băng thông yêu cầu cái mà tăng tối đa hiệu suất của kênh không dây mà không vi

phạm yêu cầu độ trễ. Để làm cho đáp ứng với sự thay đổi của tải thông tin nhanh, ta đã

giới thiệu kiến trúc hồi tiếp kép, ở đó sự khác nhau giữa chiều dài hàng đợi hiện tại và

chiều dài mục tiêu mong muốn và sự không phù hợp về tốc độ giữa tốc độ gói đến và tốc

độ gói đi được dùng như thông tin hồi tiếp. Do mục tiêu trễ và kiến trúc hồi tiếp kép, thuật

toán được đề nghị điều chỉnh chiều dài hàng đợi quanh mức mong muốn, do đó nó có thể

điều khiển trễ tới mức mục tiêu trong khi giảm thiểu méo do trễ. Ngoài ra, hiệu suất cấp

phát băng thông được cải thiện bằng việc điều khiển toàn bộ băng thông yêu cầu phụ

thuộc vào chiều dài hàng đợi và tốc độ gói đến. Ta đã phân tích trạng thái ổn định của kỹ

thuật để nghị dựa trên một phương pháp hệ thống. Sử dụng phép phân tích này, ta đã thu

được một thiết kế đơn giản dựa trên thuật toán đề nghị và đã chứng minh rằng điều khiển

dựa trên tốc độ trong yêu cầu băng thông là cần thiết cho sự ổn định. Hơn nữa ta đã thực

hiện mô phỏng thuật toán bằng Matlab để từ đó rút ra nhận xét về sự ảnh hưởng của các

tham số điều khiển tới tính ổn định của hệ thống.

Tài liệu tham khảo

[1] Đỗ Ngọc Anh, “WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật – Đánh giá hoạt

động”, Tạp chí công nghệ bưu chính viễn thông và công nghệ thông tin.

[2] Trịnh Quốc Tiến, Hướng dẫn sử dụng WiMAX, Nhà xuất bản Hồng Đức,

2008.

[3] Eun-Chan Park, Hwangnam Kim, Jae-Young Kim, and Han-Seok Kim,

Dynamic Bandwidth Request-Allocation Algorithm for Real-Time Services in IEEE

802.16 Broadband Wireless Access Networks.

[4] Professor Thong Nguyen, WiMAX Workshop, International Conference on

Advanced Technologies for Communications 2008, Hanoi 6-10 October 2008.

[5] Syed Ahson and Mohammad Ilyas, Wimax Standards and Security.

[6] Prentice.Hall.Fundamentals.of.WiMAX.Feb.2007.

[7] WiMAX Forum, FAQ, Oct 2006. Available at www.wimaxforum.org.

[8] WiMAX-Overview and Performance _Sanida Omerovic, Faculty of

Electrical Engineering,University of Ljubljana, Slovenia.

[9] http://www.tapchibcvt.gov.vn

[10] http://www.wimaxforum.org

[11] http://www.wimax.com

…v…v