lập lịch băng thông dựa trên kỹ thuật phản hồi kép trong wimax

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 1 LỜI CẢM ƠN 2 MỤC LỤC 3 HÌNH VẼ 5 CHƯƠNG 1 Giới thiệu chung về WiMAX 8 1.1. Tổng quan về WiMAX 8 1.2. Đặc điểm nổi bật của công nghệ WiMAX 9 1.3. Quá trình phát triển các chuẩn WiMAX 9 CHƯƠNG 2 Chuẩn IEEE 802.16 11 2.1. Lớp giao thức trong IEEE 802.16 [6] [7] 11 2.1.1Lớp PHYsical 13 2.1.1.1Cơ bản về OFDM 14 2.1.1.2Cơ bản về OFDMA 16 2.1.1.3Các hình thức kênh con (subchannelization) 18 2.1.1.4 Mã hóa và điều biến thích nghi (AMC) 21 2.1.2Đặc trưng lớp MAC của IEEE 802.16 21 2.1.2.1 Lớp con hội tụ dịch vụ đặc trưng(CS) 21 2.1.2.2 Lớp con phần chung ( MAC CPS) 24 2.1.2.3 Lớp con an ninh 31 2.1.3Cấu trúc của MAC frame TDD 32 2.1.3.1Frame con Downlink OFDM PHY 33 2.1.3.2Frame con Uplink OFDM PHY 34 2.2 Luồng dịch vụ và các lớp dịch vụ 35 2.2.1 Service Flow 35 2.2.2. Classes of service 36 2.3. Kiểu kiến trúc QoS và QoS Scheduling 37 2.3.1. Kiến trúc QoS 37 2.3.2. QoS Scheduling 38 2.3.2.1 UGS scheduling 39 2.3.2.2rtPS scheduling 39 2.3.2.3nrtPS scheduling 40 3 2.3.2.4BE scheduling 40 2.3.2.5 ErtPS scheduling 40 CHƯƠNG 3 Thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động dựa trên phản tiếp kép 41 3.1. Giới thiệu 41 3.2. Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 43 3.2.1. Cơ cấu lập lịch (Scheduling framework) 43 3.2.2 Kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông uplink 43 3.3 Thuật toán yêu cầu băng thông động [3] 45 3.3.1 Cơ sở thiết kế 45 3.3.1.1. Giới thiệu về mục tiêu trễ (target delay) 45 3.3.1.2 Phương pháp phản tiếp kép (dual feedback) 47 3.3.2. Thuật toán và các vấn đề thực thi 48 3.4. Phân tích thuật toán 50 3.4.1. Mô hình hệ thống 50 3.4.2. Ảnh hưởng của những tham số điều khiển 51 3.4.3.Phân tích tính ổn định 52 CHƯƠNG 4 Mô phỏng sử dụng Matlab 53 4.1 Thuật toán cải tiến 53 4.2 Mô phỏng 54 CHƯƠNG 5 Kết luận 59 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) [8] 16 Hình 2.5: Khác nhau giữa OFDM và OFDMA [8] 17 Hình 2.6: Cấu trúc sóng mang con OFDMA [8] 19 Hình 2.7: Kênh con phân tập tần số DL 19 Hình 2.8: Cấu trúc tile cho UL PUSC 20 Hình 2.9: Bán kính cell 21 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] 23 Hình 2.11: Cấu trúc khung TDD của WiMAX [6] 34 Hình 2.12: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 [5] 38 Hình 2.13: Việc lập thời biểu DL và UL của BS [5] 39 Hình 3.1: Một vài hàm để tính toán băng thông bổ sung yêu cầu phụ thuộc vào chiều dài hàng đợi[3] 46 Hình 3.2: Đáp ứng xung của hệ thống với những giá trị khác nhau của tham số điều khiển [3] 51 5 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 6 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 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 7 WiFi Wireless Fidelity WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WMAN Wireless Metropolitan Area Network 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. 8 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. - 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 9 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. - 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 OFDM 256 sóng mang OFDM 256 sóng mang OFDM 512/1024/2048 10 [...]... 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. .. (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 25 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:... 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... 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,... 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. .. 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... 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 34 • 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... ngăn chặn lỗi phát hiện các byte đệm 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 26 Các kết nối quản lí MAC Có 4 loại kết nối quản lí.: Kết... 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 24 Tiêu đề MAC chung Các trường trong tiêu đề MAC chung có ý nghĩa như . 40 CHƯƠNG 3 Thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động dựa trên phản tiếp kép 41 3.1. Giới thiệu 41 3.2. Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 43 3.2.1. Cơ cấu lập lịch (Scheduling framework) 43 3.2.2 Kỹ thuật. cầu-cấp phát băng thông uplink 43 3.3 Thuật toán yêu cầu băng thông động [3] 45 3.3.1 Cơ sở thiết kế 45 3.3.1.1. Giới thiệu về mục tiêu trễ (target delay) 45 3.3.1.2 Phương pháp phản tiếp kép (dual. 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