kỹ thuật Radio over Fiber những ứng dụng của nó trong mạng truy nhập vô tuyến 2.doc

Tài liệu tham khảo công nghệ thông tin ngành viễn thông kỹ thuật Radio over Fiber những ứng dụng của nó trong mạng truy nhập vô tuyến

Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây Chương KẾT HỢP KỸ THUẬT RADIO OVER FIBER VÀ MẠNG TRUY NHẬP KHÔNG DÂY - Ứng dụng kỹ thuật Radio over Fiber vào mạng truy nhập không dây 2.1 Giới thiệu Ở chương kết hợp mạng truy nhập không dây kĩ thuật Radio over Fiber để xem chúng khác giống với mạng truy nhập nào.Mạng truy nhập vô tuyến kết hợp kĩ thuật RoF ta gọi mạng RoF Chúng ta tìm hiểu kiến trúc mạng RoF ứng dụng kỹ thuật RoF mạng truy nhập vơ tuyến sau tìm hiểu kỹ thuật RoF chương 2.1 Mạng vô tuyến cellular dựa kỹ thuật RoF 2.2.1 Đa truy nhập lớp Trong mạng truy nhập vô tuyến sử dụng kỹ thuật RoF, lớp vật lý bao gồm lớp lớp vơ tuyến lớp quang phía Lớp quang thành phần trung gian để đưa tín hiệu RF từ tất MS mạng CS Lớp CS xử lý tín hiệu vơ tuyến Hình 2.1 mơ tả lớp quang vô tuyến mạng 27 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây MS Lớp vô tuyến Lớp quang CS sợi quang Hình 2.1 Mạng khơng dây đa truy nhập lớp Trước hết, lớp vô tuyến, BS phải phục vụ nhiều MH, đồng thời CS lại phục vụ nhiều BS, BS đóng vai trị trung gian để chuyển tín hiệu từ CS tới MS ngược lại Do đó, xem CS phục vụ gián tiếp nhiều MS Như kỹ thuật đa truy nhập (multiaccess) lớp vơ tuyến hình thành Cấu trúc mạng đơn giản lớp quang cấu trúc mạng hình sao: tuyến RoF kết nối point-to-point kết nối CS với BS sợi quang Tuy nhiên, cấu trúc gây lãng phí sợi quang nên người ta đưa nhiều cấu hình tốt hơn, số lượng BS tương đối nhiều Nếu sợi quang phục vụ nhiều BS, lúc lớp quang trở thành hệ thống đa truy nhập thứ hai, độc lập với lớp đa truy nhập vô tuyến Kỹ thuật đa truy nhập lớp quang đa dạng, sử dụng kỹ thuật SCM (FDMA), CDMA, TDMA, WDM… 28 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây 2.2.2 Tính đa dịch vụ mạng RoF kết hợp kỹ thuật WDM Hiện nay, hầu hết mạng điều thiết kế để truyền tải cho dịch vụ nên độ linh hoạt mạng khơng cao Thứ băng thông mạng chưa đủ lớn để phục vụ nhiều dịch vụ lúc Thứ hai loại dịch vụ khác có chuẩn khác nhau, yêu cầu phải có kỹ thuật truyền dẫn suốt với kỹ thuật khác Tuy nhiên, kể từ băng thông sợi quang sử dụng hiệu nhờ kỹ thuật WDM tăng lên nhiều lần mà đặc biệt kỹ thuật WDM suốt với tất kỹ thuật truyền dẫn, chuẩn điều chế,… nên sợi quang truyền tải nhiều loại hình dịch vụ khác cách đồng thời Các tín hiệu loại hình dịch vụ khác truyền tải bước sóng khác Tất nhiên dịch vụ khác phải hoạt động với tần số khác nhau, kiểu điều chế RF khác với cell khác nhau, v…v… Dịch vụ cung cấp vô tuyến cố định hay di động, dịch vụ băng hẹp hay dịch vụ băng rộng, v…v… Dó đó, RoF ứng dụng mạng truyền tải ứng dụng thông thường Trong mạng RoF đa dịch vụ dịch vụ hoạt động bước sóng khác nhau, bước sóng chọn lựa cách thích hợp để phục cho tín hiệu từ CS tới BS ngược lại Ta xem ví dụ hình Hình 2.2 Kỹ thuật WDM cho phép triển khai đa dịch vụ mạng 29 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây Kỹ thuật RoF mà ta nghiên cứu chương kỹ thuật truyền dẫn tín hiệu vơ tuyến sợi quang cho tín hiệu vơ tuyến truyền xa tốt với độ tuyến tính cao Trong chương tiếp theo, ta tìm hiểu xem, kỹ thuật RoF kết hợp với mạng truy nhập vô tuyến nào? Nó đem lại lợi ích gì? Những khó khăn ứng dụng cho mạng hướng giải sao? kiểu hình mạng tìm hiểu là: • Mạng Wireless LAN • Mạng truyền thơng Road Vehicle Communication (RVC) • Mạng truy nhập vô tuyến băng rộng vùng ngoại ô nông thôn 2.3 RoF WLAN băng tần 60Ghz – Giao thức MAC 2.3.1 Giới thiệu Kỹ thuật RoF ứng dụng cho mạng WLAN ứng dụng hứa hẹn nhất, với BS thực chức đơn giản kết nối đến CS thông qua sợi quang, chức định tuyến xử lý tập trung CS Tuy nhiên, mạng WLAN này, bán kính phủ sóng BS nhỏ nên di chuyển MH cần phải có yêu cầu chuyển giao Do chuyển giao thực liên tục MH di chuyển nên mạng WLAN cần phải có giao thức chuyển giao đơn giản phải tin cậy băng tần mm Trong phần đề cập tới giao thức MAC (media access control) gọi “Chess Board Protocol” (Giao thức chuyển giao bàn cờ) ứng dụng cho mạng WLAN sử dụng kỹ thuật RoF hoạt động băng tần 60GHz, với đặc tính chuyển giao nhanh đơn giản, tích hợp QoS Với khả điều khiển tập trung mạng RoF nên phụ thuộc vào mã chuyển mạch tần số FS (frequency switch) để cung cấp chế chuyển giao đơn giản, picocell liền ấn định mã FS trực giao với để tránh tượng giao thoa đồng kênh Cơ chế cho phép MH 30 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây hiệu chỉnh tần số suốt q trình chuyển giao, đặc tính quan trọng giao thức chuyển giao bàn cờ 2.3.2 Kiến trúc mạng Đối với mạng WLAN, cấu trúc mạng cần đơn giản, thiết bị giá thành rẽ nên thường mạng sử dụng kỹ thuật đơn giản tốt Đối với mạng WLAN chương ta giả sử chúng có đặc tính sau: (1) song công phân tần số (2) khả thay đổi kênh RF động Hình vẽ 2.3 ví dụ kiến trúc RoF ứng dụng mạng WLAN Với kiến trúc này, mạng sử dụng phương pháp điều chế sóng mang con, phương pháp đơn giản sử dụng rộng rãi mạng RoF Trong kỹ thuật này, liệu từ tuyến truyền dẫn theo hướng downlink (từ CS tới MH) điều chế lên miền tần số RF thích hợp nguồn vơ tuyến (được gọi subcarrier) sau điều chế lên miền quang (được gọi maincarrier) nguồn quang Tín hiệu truyền sợi quang đến BS, tín hiệu quang lại chuyển thành tín hiệu vô tuyến phát từ BS đến MH Đối với tuyến uplink (từ MH đến CS) tín hiệu nhận BS điều chế sang miền quang nguồn quang Nó truyền dẫn thông qua tuyến quang tới CS giải điều chế sang tín hiệu vơ tuyến PD Sau liệu user tách Do đặc điểm mạng WLAN khoảng cách từ BS đến CS khoảng vài trăm mét nên ảnh hưởng tượng phi tuyến lên tần số RF tương đối thấp, tín hiệu truyền sợi quang truyền tần số RF Hoạt động mô tả hình 2.3 31 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập khơng dây Hình 2.3 Kiến trúc mạng RoF cho WLAN Với kiến trúc cho mạng WLAN CS có nhiều thu phát (TRX) với số lượng BS, thu phát bao gồm (1) nguồn sáng để phát tín hiệu laser, (2) PD cho hướng uplink (3) modem để phát nhận liệu miền RF Nhìn vào cấu hình ta thấy BS có chức đơn giản thu phát tín hiệu, ngồi khơng có chức xử lý tín hiệu thực BS Đối với mạng WLAN khảo sát điều chế ngồi sử dụng thay cho LD chúng hoạt động tần số 60GHz, tần số mà LD khơng thể đáp ứng kịp Các thu phát trang bị dao động điều chỉnh giá thành cao, nên đơi chúng trang bị dao động với tần số cố định Sự thay đổi giao động ảnh hưởng đến trình phân bổ tần số cho mạng RoF 32 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây fRF fopt BS CS RoF link MHs Hình 2.4 Hướng downlink 2.3.3 Mô tả giao thức MAC – Giao thức bàn cờ a Giới thiệu Hình 2.5 Giao thức chuyển giao bàn cờ Như ta biết, mạng WLAN phủ sóng tịa nhà (building) phịng phủ sóng BS, gọi picocell Do bán kính picocell 33 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập khơng dây tương đối nhỏ nên tịa nhà phủ sóng nhiều picocell, quản lý tính di động thiết bị mạng điều cần thiết Trong mạng WLAN, ta giả sử mạng sử dụng mạng hoạt động chế độ song công phân tần số FDD (Frequency Devision Duplex), thiết bị sử dụng phương pháp đơn giản, rẻ tiền phát triển thành công Bằng cách phân chia băng thông tổng hệ thống thành 2n kênh với n kênh downlink ký hiệu f1, f2, …, fn n kênh uplink ký hiệu fn+1, fn+2, …, f2n Chú ý băng thông, bề rộng phổ kênh tần số, tuyến downlink uplink không đồng nhất, khơng giống nhau, mạng có khả hỗ trợ lưu lượng bất đối xứng Hơn nữa, trục thời gian chia thành các khe thời gian (time slot) n khe thời gian nhóm lại thành một khung Hình 2.5 mơ tả khung thời gian với n=10 b Mô tả giao thức Trước hết, MH tham gia vào q trình truyền liệu, ấn định cặp kênh tần số 2n kênh vơ tuyến mà mạng WLAN hỗ trợ (fi, fn+i) i=1, 2, 3, …,n cặp khe thời gian (tk, tk+1) tuần hoàn chu kỳ n cho tuyến downlink uplink (xem hình) Khi MH nhận tín hiệu cho phép truyền từ kênh downlink fi khe thời gian tk phép truyền dẫn gói thơng qua kênh uplink fi+n khe thời gian tk+1 Mọi BS hổ trợ kênh (tần số kết hợp khe thời gian), nhiên chúng sử dụng khe thời gian quy định sẵn Trong hình vẽ ví dụ với n=5 Trong khung thời gian, khe thời gian n khe sử dụng lần Các picocell kề không sử dụng lại kênh (được quy định mã FS) để tránh tượng nhiễu giao thoa đồng kênh Một mã FS sử dụng picocell sử dụng lại picocell khác khoảng cách chúng đủ lớn để tránh tượng giao thao tín hiệu Một vấn đề quan trọng giao thức vấn đề đồng Do sử dụng phương pháp TDM nên việc đồng thiết bị thiếu, nhiên vấn đề đồng tần số khe thời gian tương đối đơn giản Với giao thức này, việc đồng phải thực toàn picocell, tức 34 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây picocell phải đồng khe thời gian với nhau, việc đồng cell thật đơn giản nhờ kiến trúc tập trung, CS đảm nhận vai trò đồng Để đồng với BS, CS bắt đầu đo khoảng thời gian truyền tín hiệu đến BS truyền ngược CS (round-trip time) gọi RTT Lúc CS ấn định khoảng thời gian truyền từ BS tới CS RTT/2 để đồng BS Giao thức chuyển giao bàn cờ ứng dụng nhiều số hệ thống sử dụng phương pháp nhảy tần BlueTooth thường thấy điện thoại di động ngày Tuy nhiên mạng WLAN giao thức chuyển giao bàn cờ có số điểm khác biệt: (1) hệ thống nhảy tần BS MH thay đổi kênh tần số theo quy luật cho trước (gọi mã giả ngẫu nhiên), nhiên giao thức bàn cờ có BS hiệu chỉnh tần số cịn MH giữ ngun cặp tần số hoạt động nó, (2) giao thức chuyển giao bàn cờ kết hợp với kiến trúc mạng tập trung CS nên có tránh tượng nhiễu giao thoa đồng kênh, tránh việc sử dụng tần số chuyển mạch picocell gần Do hệ thống WLAN sử dụng giao thức bàn cờ người ta thường sử dụng khái niệm chuyển đổi tần số (frequency swiching) thay cho khái niệm nhảy tần (frequency hopping) c Chuyển giao Một đặc điểm quan trọng giao thức bàn cờ trình chuyển giao MH di chuyển từ BS sang BS khác đơn giản nhanh Thời gian chuyển giao tối đa (2n+1) khe thời gian Nhờ đơn giản nhanh nên giao thức sử dụng mạng WLAN, để giảm bớt phức tạp MH Ta tìm hiểu ví dụ chuyển giao MH di chuyển từ BS sang BS khác hình vẽ Trong hình 2.6 ví dụ với n = Cơ chế chuyển giao xảy sau: trước hết cell cũ MH nhận tín hiệu cho phép khung thời gian có tơ màu đen trả lời lại khe thời gian có đường gạch chéo (đã mô tả giao thức bàn cờ) Lúc MH sử dụng cặp tần số (fi, fn+i) cho chiều up down Giả sử MH di chuyển từ picocell cũ sang picocell sử dụng cặp tần số cho truyền liệu Tất nhiên qua cell khác, tính trực giao (được điều khiển CS) nên hoạt động khe 35 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây thời gian khác không thay đổi cặp tần số (đặc điểm giao thức chuyển giao bàn cờ ) Khi đến vùng biên giới picocell đồng thời nhận khe thời gian picocell Khi tiếp tục liên lạc với picocell cũ thiết lập kênh với picocell thành lập Khi liên lạc với picocell cũ thật bị q tầm phủ sóng bắt đầu yêu cầu picocell cấp cho kênh để hoạt động, công việc MH chuẩn bị từ nhận tín hiệu picocell (xem hình) Việc cấp băng thơng cho MH thực khung Nhìn vào hình vẽ 2.6, ta thấy thời gian chuyển giao tối thiểu 2n +1 khe thời gian Hình 2.6 Độ trễ chuyển giao giao thức chuyển giao bàn cờ Gia nhập vào mạng WLAN: Khi MH bắt đầu gia nhập vào mạng WLAN cơng việc đồng với CS, sau chọn kênh ngẫu nhiên có khả thay đổi kênh tần số sử dụng kênh định trước khơng có khả thay đổi kênh Sau lắng nghe khe thời gian tuyến downlink Nó nhận tín hiệu khe thời gian khung ấn định khe thời gian cho MH hoạt động Sau nhận gói tin ấn định khe thời gian, bắt đầu gởi tín hiệu xác nhận khe tuyến 36 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập khơng dây Hình 2.8 Kiến trúc mạng RVC dựa kỹ thuật RoF 2.4.3 Hoạt động mạng Giả sử CS kết nối đến N BS hình vẽ 2.8, số lượng BS phủ sóng hồn tồn đường N BS chia làm S nhóm (1 < S < N), tập hợp BS nhóm đặt gần nhau, tập hợp vùng phủ sóng nhóm gọi VCZ (vitual cellular zone) TDMA sử dụng hệ thống với super-frame có kích thước cố định, bao gồm M khe thời gian mà khe ấn định cho VCZ, khe lấp đầy gói liệu có kích thước tối thiểu Kênh RF bên VCZ tương tự, VCZ liền kề không dùng chung kênh RF để tránh tượng giao thao đồng kênh Do MH di chuyển VCZ chúng khơng thiết phải đổi kênh tần số Nó phải thay đổi kênh RF chuyển sang VCZ khác Mỗi super-frame chia thành frame nhỏ cho cell bên VCZ, mà khung bao gồm kênh uplink lẫn downlink Kích thước khung thiết kế cho cân lưu lượng cell 42 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập khơng dây Hình 2.9 Ấn định khung di chuyển Hình 2.9 mơ tả VCZ bao gồm cell frame ấn định cho cell miền thời gian sử dụng kênh RF Điều cần nhấn mạnh chu kỳ khung i có trao đổi thơng tin BS i với CS thiết lập, BS VCZ phải điều khiển CS để tìm khung thời gian thích hợp Vì kênh RF ấn định để tránh tượng giao thoa kênh cell VCZ Nếu thiết bị vào khu vực mà khơng có chồng lấn cell liên tục nhận khung cell mà đứng Trong đó, di chuyển vào vùng chồng lấn cell phải “lắng nghe” khung super-frame Ví dụ hình 2.9, V1 nhận frame 1, V2 lại nhận frame super-frame Chú ý frame khơng hỗ trợ thiết bị mà hỗ trợ nhiều thiết bị cell Như CS có nhiều VCZ, số lượng VCZ với số lượng super-frames phục vụ cách đồng thời 43 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây 2.4.4 MAC – quản lý tính di động – chuyển giao a Cấu trúc khung Tuy mạng RoF chưa áp dụng vào thực tế, có nhiều đề nghị cấu trúc khung cho mạng nhằm đạt yêu cầu mạng Ta tham khảo cấu trúc khung mạng RVC sử dụng kỹ thuật RoF mô tả hình 2.10 Mỗi khung super-frame thuộc sở hữu BS bắt đầu với trường “beacon” phát CS bao gồm mã số nhận dạng BS (ID) tin thông báo việc ấn định khe thời gian cho vị trí khe chiều dài khung cho MH Tiếp theo trường “reservation minislots” mà chúng truy cập MH để xác định quyền ưu tiên truy cập vào mạng, khung không dùng cho truyền liệu Hơn nữa, chia nhỏ thành minislot dành cho yêu cầu chuyển giao liên VCZ, liên CS hay kết nối cho MH gia nhập vào mạng CS thay đổi cấu trúc milislot để trình chuyển giao đạt độ trễ cho phép Để giải vấn đề tranh chấp tài nguyên, phương pháp thông thường sử dụng p-persistent Tiếp theo trường broadcast để quảng bá thông tin mạng cho MH tham gia Cuối trường thông tin chia thành phần uplink downlink Trường uplink thường có bit dành cho chế chuyển giao nhanh VCZ mà ta thảo luận phần sau 44 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây Hình 2.10 Cấu trúc khung (khơng có đoạn bảo vệ) b Khởi tạo gia nhập mạng Khi MH bắt đầu gia nhập vào mạng, phải quét tất kênh RF Sau chọn kênh RF sử dụng cell đó, gởi u cầu số lượng băng thơng cần thiết tới CS cách sử dụng reservation minislot Nếu yêu cầu thành công hệ thống có đủ băng thơng để cung cấp cho u cầu đó, thiết bị ấn định lượng băng thông cần thiết superframe c Hỗ trợ tính di động – chuyển giao Trong kiến trúc mạng phát họa mạng RVC hỗ trợ kiểu chuyển giao (hình 2-11): (1) chuyển giao BS thuộc VCZ (intra-VCZ handover) (2) chuyển giao BS thuộc VCZ kề (inter-VCZ handover) (3) chuyển giao BS thuộc quản lý CS khác (inter-CS handover) Trong tất trường hợp chuyển giao vùng chồng lấn BS phải đủ lớn cho thiết bị có đủ thời gian để thực chuyển giao Ví dụ MH di chuyển với vận tốc 100km/h di chuyển 1m hết 36ms Do cấu trúc superframes đủ 45 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây nhỏ (1-5 ms) thủ tục chuyển giao thực vịng vài mét Ta tìm hiểu thủ tục chuyển giao Hình 2.11 Một ví dụ chuyển giao mạng RVC (1) Intra-VCZ handover Trước hết, tất BS VCZ dùng kênh RF, MH tiến đến vùng chồng lấn BS, bắt đầu nhận beacon, becon chứa BS-ID khác đặc trưng cho BS superframe MH gởi trở lại CS yêu cầu chuyển giao cách thiết lập cờ “handover indication” Sau đó, CS gởi trả đáp ứng lượng băng thông cấp cell giải phóng băng thơng kênh cũ để sử dụng cho MH khác Ta nhận thấy tài nguyên dùng để thực chuyển giao từ BS đến BS ln sẵn có chế MAC tập trung nên hiệu chỉnh cách thu hẹp chiều dài khung BS mà MH rời khỏi gia tăng khoảng thời gian khung BS mà chuẩn bị chuyển sang để cung cấp cho MH lượng băng thông yêu cầu Do đó, chuyển giao intra-VZV, độ trễ chuyển giao độ rớt chuyển giao gần 0, băng thông ấn định suốt 46 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây di chuyển MH Đây đặc điểm kiến trúc “dự thảo” (2) Inter-VCZ handover Trong trường hợp chuyển giao inter-VCZ, MH lắng nghe khung “beacon” VCZ VCZ liền kề sử dụng kênh RF khác để tránh tượng nhiễu giao thoa đồng kênh Tương tự với thủ tục thông thường, MH phải quét tất các kênh RF VCZ tiếp theo, hay gọi thủ tục chuyển giao cứng Tuy nhiên, mạng RVC, CS biết hướng MH nên thông báo cho MH di chuyển cell cuối VCZ biết kênh RF sử dụng VCZ Khi MH nhận thông tin kênh RF sử dụng VCZ tiếp theo, bắt đầu quét kênh RF chu kỳ, giai đoạn chưa cấp băng thơng kênh Nếu nhận kênh RF mới, gởi yêu cầu chuyển giao reservation-minislot để thực trình chuyển giao inter-VCZ Nếu yêu cầu tới VCZ chấp thuận mạng đủ băng thông để cấp cho VCZ, MH liên lạc với mạng, cịn ngược lại yêu cầu gởi đến mạng bị lỗi (rớt liên lạc) Như vậy, chuyển giao inter-VCZ không giống với chuyển giao intra-VCZ khơng thay đổi kênh tần số mà cịn phải cấp lại băng thơng cho thiết bị nên cần chế quản lý băng thông Các CS đặt độ ưu tiên chuyển giao cho thiết bị, nhằm hạn chế băng thông cho phép kết nối để điều khiển lỗi mạng thông tin di động cellular (3) Inter-CS handover: Đối với chuyển giao CS khác nhau, ví dụ MH di chuyển từ vùng phủ sóng BS sang vùng phủ sóng BS khác mà BS đặt quản lý CS khác nhau, vấn đề quan trọng phải bảo đảm thông số QoS cho kết nối di chuyển Thủ tục chuyển giao trường hợp tương tự với thủ tục chuyển giao inter-VCZ nói trên, điểm khác BS quản lý CS khác nên chúng khơng có kiến trúc tập trung Trong trường hợp CS phải liên lạc với qua mạng đường trục (có thể dựa giao thức IP) Tuy nhiên để giải thủ tục chuyển giao inter-CS 47 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập khơng dây ngồi giao thức điều khiển lớp vật lý cịn có vấn đề liên quan đến định tuyến 2.4.5 Kết luận Mạng truyền thông Road Vehicle tương lai hoạt động băng tần mm để đạt tốc độ liệu cao (từ 2-10Mbps) Đặc tính mạng RVC bán kính cell tương đối nhỏ tính di động user cao, chế chuyển giao vấn đề quan trọng cần phải giải mạng Khi kiến trúc mạng hồn chỉnh, ứng dụng tuyến đường cao tốc, BS lắp đặt cột đèn hay bên đường thuận lợi Khi phương tiện giao thơng đường liên lạc với hay liên lạc với trung tâm điều khiển, sở cho mạng điều khiển tự động phương tiện mạng ITS Tuy nhiên mạng mức dự thảo cịn nhiều vấn đề (các giao thức lớp cao hơn, mặt kỹ thuật, mặt kinh tế,…) cần phải giải tương lai, viết chương cho thấy khả quan mạng RVC tương lai 2.5 RoF ứng dụng cho mạng truy nhập vô tuyến ngoại ô, nông thôn 2.5.1 Giới thiệu Mạng truy nhập băng thơng rộng có xu hướng phát triển mạnh mẽ, thêm vào để đạt thuận tiện cơng việc ngồi đáp ứng tốc độ cao kết nối phải ln tình trạng “always on” Mạng truy nhập vô tuyến băng thông rộng có nhiều lựa chọn tốt để cung cấp cho user nhiều dịch vụ băng rộng với giá tốt cạnh tranh với dịch vụ truy nhập có dây xDSL hay mạng Cable modem Thậm chí nay, người ta thay đoạn dây đồng chạy đến thuê bao công nghệ wireless mà người thường gọi tên “wireless last mile” Tuy nhiên “wireless last mile” vấn đề cần quan tâm nơi có mật độ dân số thưa thớt 48 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây vùng ngoại ô nông thôn Ở nơi này, thứ vấn đề kéo dây khó khăn số lượng dân cư thưa thớt trải rộng vùng, vấn đề khả tập trung th bao khơng dễ Do vấn đề wireless gần giải pháp kinh tế nơi Hay nghiên cứu gần đây, người ta bắt đầu quan tâm tới mạng BWAN cho vùng dân cư thưa thớt nông thôn hay ngoại ô, nơi mà cần số lượng lớn BS lắp đặt yêu cầu lưu lượng BS dường thấp so với mật độ dân số Mặt khác, kỹ thuật RoF ứng dụng cho mạng truy nhập vô tuyến trở nên hứa hẹn cho mạng BWAN kiến trúc mạng có giá thành tốt Hơn nữa, để hỗ trợ dịch vụ băng rộng, băng tần mm khoảng 36-60GHz xem xét để sử dụng cho mạng BWAN Trong hầu hết kiến trúc mạng RoF thông thường, CS bao gồm LD, PD modem vô tuyến để phục vụ BS, điều khiển CS Hơn nữa, nhờ kỹ thuật ghép kênh WDM ứng dụng cách rộng rãi mạng RoF, nên đơn giản hóa kết nối BS CS Và phần này, tìm hiểu kiến trúc mạng truy nhập vô tuyến sử dụng kỹ thuật RoF ứng dụng mạng BWAN kết hợp WDM Và đặc biệt mạng số lượng TRX CS số lượng BS có mạng, TRX trang bị thu phát quang điều chỉnh tần số RF modem, với kiến trúc ta đơn giản hóa cấu trúc CS CS kết nối liên tục tới nhiều BS, TRX CS có điều chỉnh bước sóng để hoạt động nhiều tần số thích hợp Tuy hệ thống bị giới hạn dung lượng số lượng TRX, có cấu trúc CS đơn giản mềm dẻo việc ấn định băng thơng Do đó, hệ thống thích hợp cho BWAN mà số lượng BS u cầu lớn lưu lượng mạng khơng nhiều, thỏa mãn số yêu cầu vùng ngoại ô nông thôn 2.5.2 Kiến trúc mạng 49 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây Kiến trúc mạng BWAN mô tả hình 2-12 Mạng bao gồm CS với K TRX, N BS nhiều trạm thuê bao SS (subscriber station) cố định, BS kết nối đến CS sợi quang cho tuyến uplink downlink cách riêng biệt Để nối từ CS đến nhiều BS, thiết bị quang thụ động sử dụng ghép hình hay cộng/phân chia quang với đặc tính thiết bị nhạy cảm với bước sóng Do mạng ứng dụng vùng ngoại ô nông thôn nên khoảng cách từ CS đến BS lớn Vùng phủ sóng BS gọi cell Chức BS mạng đơn giản chuyển đối tín hiệu từ dạng quang sang RF ngược lại, BS khơng có chức xử lý tín hiệu Trên thực tế, kiến trúc mạng cải tiến nhiều với đặc tính thêm vào sử dụng thêm công nghệ hơn.Mỗi TRX mạng CS bao gồm RF modem cặp TT-TR (tunable transmit – tunable receiver), có khả điều chỉnh tần số khoảng bước sóng λi, ≤ i ≤ N Các điều chỉnh bước sóng phải có thời gian điều chỉnh bước sóng khơng đáng kể, hay thực tế TRX phải có thời gian điều chỉnh khoảng vài chục nano-giây Modem TRX có khả thay đổi kênh RF để điều chế giải điều chế Các BS hoạt động bước sóng cố định nên sử dụng lọc quang thụ động, đơn giản Mỗi bước sóng sử dụng sóng mang cho liệu truyền dẫn tuyến uplink lẫn downlink Vì vậy, mạng thuộc loại broadcast-and-select TRX CS truy nhập vào BS cách điều chỉnh tần số thích hợp, có động độ bước sóng Và cuối cùng, kiến trúc ta tất nhiên K < N 50 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập khơng dây Hình 2.12 Kiến trúc mạng RoF bao gồm K thu phát (TRX) N trạm BS 2.5.3 Hoạt động Ta xét mạng hoạt động theo kiểu TDMA/TDD Để TRX phục vụ BS, phải biết bước sóng kênh tần số RF dùng BS Về phần kênh RF, ta giả sử kênh RF ấn định trước cố định cho BS CS giữ bảng danh sách số BS ID, bước sóng kênh RF BS Với tuyến truyền dẫn downlink từ CS tới BS i, liệu user điều chế sang miền RF, sau điều chế sang sang miền quang tần số λi Tín hiệu quang truyền tuyến downlink tới BS i, tín hiệu quang chuyển đổi lại sang miền vô tuyến xạ ănten BS Cịn tuyến uplink, tín hiệu RF nhận BS chuyển đổi sang tín hiệu quang tần số cố định λi Sau truyền TRX tuyến uplink, TR giải điều chế tín hiệu quang tần số λi Sau giải điều chế thêm lần miền RF để lấy liệu người dùng Với cấu trúc mạng khơng thể có q TRX điều khiển BS, xảy tượng chồng lấn tần số Do đó, băng thông mạng bị giới hạn số TRX K lần băng thông TRX Để tăng dung lượng mạng, ta tăng số lượng TRX lên, số lượng TRX tùy thuộc vào lưu lượng mạng vùng Hiện nay, kỹ thuật 51 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây ghép kênh DWDM nên CS kết nối đến hàng trăm BS mà khơng bị tượng thiếu bước sóng Hơn nữa, mạng hoạt động băng tần mm nên dung lượng TRX đến hàng trăm Mbps, với lưu lượng liệu không lớn vài chục Mbps cần số TRX phục vụ cho tồn lưu lượng mạng Tóm lại, với kiến trúc mạng đưa ta thấy ưu điểm mạng ứng dụng cho nơng thơn ngoại (1) khả ấn định băng thông linh hoạt hiệu suất sử dụng băng thông cao (2) dễ dàng mở rộng dung lượng hệ thống cần thiết 2.5.4 Giao thức truy nhập mạng Do độ trễ truyền gói từ CS tới BS mạng RoF lớn so với thời gian truyền dẫn gói, giao thức MAC CSMA khơng thể thích hợp ứng dụng vào mạng Vì kiến trúc dự thảo cần phải kết hợp với giao thức MAC tập trung CS để có giao thức truy nhập mạng không đụng độ Ta tìm hiểu giao thức phần Hình 2.13 Cấu trúc khung (các đoạn bảo vệ lượt giản) 52 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập khơng dây • Cấu trúc khung: toàn thời gian chia thành super-frame có chiều dài cố định hình 2.13 Với super-frame lại chia thành frame có kích thước nhỏ hơn, có chiều dài tùy ý miễn thỏa mãn điều kiện: L ∑ t Fj ≤ t SF j =1 (2.5.1) với L biểu thị số BS hỗ trợ TRX, phụ thuộc vào lưu lượng mạng BS TRX có hệ số L khác Mỗi frame bắt đầu với trường “beacon” bao gồm BS ID “slot asignment map”, cho biết cấu trúc khe thời gian (thời điểm bắt đầu kết thúc) dành cho SS Trường “reservation minislot”, để SS truy nhập vào trường thơng tin dành trước khe thời gian để truyền liệu Tùy thuộc vào TRX mà CS định có minislot dành cho BS Ở tuyến uplink trường “reservation minislot” bao bồm SSID tham số QoS để bảo đảm chất lượng kênh truyền Để giải vấn đề tranh chấp, phương pháp đơn giản sử dụng p-persistence Tiếp theo trường “broadcast” dùng để quảng bá thông tin mạng, cuối khe ấn định cho lưu lượng tuyến uplink tuyến downlink dành cho SS mà trường “asingment map” Do minislot có chiều dài thay đổi nên SS yêu cầu mạng thêm băng thông cần thiết Mỗi CS bao gồm K TRX, nên có đến K super-frame hoạt động đồng thời lúc Và để TRX chiếm quyền điều khiển BS cần phải có số thơng tin thích hợp bước sóng BS để TT TR điều chỉnh tần số hoạt động bước sóng thích hợp, kênh RF dùng BS để điều chế lên miền tần số RF Một bảng liệt kê (scheduler) CS cung cấp thông tin để điều khiển TRX • Scheduling – lập biểu: kỹ thuật scheduling mạng vô tuyến băng rộng phức tạp, phần ta tìm hiểu yêu cầu thuật toán scheduling với kiến trúc đưa với trường hợp đơn giản TRX có dung lượng khe liệu cố định C yêu cầu băng 53 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây thông cho lưu lượng thuộc dạng hướng kết nối cố định toàn thời gian Do đó, cần phải hiệu chỉnh dung lượng cho khung Cơng việc scheduler ấn định khung tới TRX cho đạt hiệu suất sử dụng băng thông cao tránh khả đụng độ bước sóng Kết toán cung cấp cho biết TRX với thơng tin bước sóng hoạt động, thời điểm khoảng thời gian hiệu chỉnh bước sóng đó, kênh RF tương ứng cho BS Nó chuẩn bị khối liệu hướng downlink cho BS kết hợp chúng với TRx tương ứng khung thời gian Như ta biết, mạng BWAN nghiên cứu có đến hàng trăm BS kết nối đến CS, thuật tốn scheduling cần phải nhanh chóng đơn giản Vấn đề khó thuật tốn scheduling làm để đóng gói N frame thuộc sở hữu N BS thành K super-frame Nếu cho phép phân đoạn frame hiệu suất sử dụng băng thông mạng cao phải có thêm đoạn overhead Tuy nhiên sử dụng thuật tốn cho phép phân mảnh đoạn lại gây nên tượng chồng lấn bước sóng Với yêu cầu lượng Bnew super-frame BS i phải thỏa mãn điều kiện đây: i (i ) BU + Bnew ≤ C N (ii )∑ BUj + Bnew ≤ K C j =1 BUj băng thông sử dụng BS j Điều kiện thứ để tránh tượng chồng lấn bước sóng, điều kiện thứ hai để tổng lưu lượng bé lưu lượng cho phép mạng 54 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập khơng dây Hình 2.14 Ví dụ: frame chèn vào super-frame với frame thứ bị chia thành phần 2.5.5 Kết luận Trong kiến trúc mà xem xét, mới hiểu vấn đề sử dụng bước sóng quang cho BS chọn trước, nhiên số lượng BS chọn độc lập lớn số lượng số bước sóng sẵn có (do giới hạn kỹ thuật WDM), cần phải mở rộng kỹ thuật ghép kênh (thời gian, khơng gian, phân cực tín hiệu, mã, sóng mang con,…) để kết hợp với WDM, nhiên làm tăng giá thành phần cứng mạng độ phức tạp Để hồn thiện mạng truy nhập vơ tuyến người ta cung cấp nhiều cách để gia tăng số lượng BS mà không bị phụ phụ thuộc truy cập với CS cấu hình mạng có đơn giản cần thiết 2.6 Tổng kết RoF kỹ thuật hay để kết hợp truy nhập vô tuyến truy nhập quang Nó kết hợp hai mơi trường lại với nhau, sợ quang vơ tuyến, cách tương đối đơn giản để truyền tần số vơ tuyến (băng rộng) hay tín hiệu baseband sợi quang Nó sử dụng tuyến quang tương tự để truyền dẫn phân phối tín hiệu vô tuyến CS số lượng lớn BS Từ bắt đầu giới thiệu lần Cooper vào năm 1990 nay, nhiều nghiên cứu nhằm vượt qua khó khăn kỹ thuật thiết kế BS thật đơn giản Hiện nay, bắt đầu vào giai đoạn nghiên cứu để ứng dụng cho 55 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber mạng truy nhập không dây thương mại cạnh tranh với công nghệ băng rộng khác, hi vọng tương lai kỹ thuật RoF có nhiều ứng dụng với giá thành thấp Nhưng dù thấy đặc điểm quan trọng mạng ứng dụng kỹ thuật so với mạng truy nhập vơ tuyến thơng thường là: (1) suốt với băng thơng, kỹ thuật điều chế vô tuyến giao thức lớp vô tuyến (2) BS đơn giản, nhỏ (3) kiến trúc mạng tập trung Trong chương này, tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật RoF lên kiểu mạng truy nhập vô tuyến khác cho ứng dụng khác Với ứng dụng đầu, cell có bán kính nhỏ tính di động user cao, vấn đề quan trọng mạng quản lý tính động Vì vậy, mạng tìm hiểu giao thức MAC tích hợp khả chuyển giao nhanh đơn giản dùng cho kiến trúc tập trung phù hợp với loại mạng Mặc khác, mạng truy nhập vô tuyến dành cho vùng ngoại ô nông thôn cần phải sử dụng băng thơng hiệu hơn, phụ thuộc lớn vào kiến trúc mạng tập trung Với kết trên, mạng truy nhập vô tuyến băng rộng ứng dụng kỹ thuật RoF vấn đề khó khăn cần giải quyết, để cạnh tranh với mạng truy nhập vô tuyến ngày Trong khuôn khổ đề tài, không đề cập đến vấn đề quản lý tài nguyên mạng, điều quan trọng mạng truy nhập vơ tuyến Tuy nhiên, với tìm hiểu RoF cơng nghệ hứa hẹn cho dịch vụ vô tuyến phương tiện băng rộng dung lượng lớn tương lai 56 ... đa truy nhập thứ hai, độc lập với lớp đa truy nhập vô tuyến Kỹ thuật đa truy nhập lớp quang đa dạng, sử dụng kỹ thuật SCM (FDMA), CDMA, TDMA, WDM… 28 Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber. .. điều chế vô tuyến giao thức lớp vô tuyến (2) BS đơn giản, nhỏ (3) kiến trúc mạng tập trung Trong chương này, tìm hiểu ứng dụng kỹ thuật RoF lên kiểu mạng truy nhập vô tuyến khác cho ứng dụng khác... vơ tuyến truy? ??n xa tốt với độ tuyến tính cao Trong chương tiếp theo, ta tìm hiểu xem, kỹ thuật RoF kết hợp với mạng truy nhập vô tuyến nào? Nó đem lại lợi ích gì? Những khó khăn ứng dụng cho mạng