Đánh giá thuật toán lập lịch cho dịch vụ VoIP trong hệ thống WiMAX Luận văn ThS. Kỹ thuật điện tử - viễn thông

Là một công nghệ dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16, WiMAX cho phép cung cấp các dịch vụ không dây băng thông rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt.. Đặc biệt, các tiêu chuẩn mới

VŨ HỮU HÀO

ĐÁNH GIÁ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO DỊCH VỤ VOIP TRONG HỆ THỐNG WIMAX

Nghành: Công nghệ Điện tử-Viễn thông

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRỊNH ANH VŨ

Hà Nội – 2008

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

TÓM TẮT 4

KÍ HIỆU VIẾT TẮT 5

DANH MỤC BẢNG 9

DANH MỤC HÌNH VẼ 10

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX 14

1.1 Lịch sử, quá trình phát triển 14

1.2 WiMax hoạt động như thế nào? 15

1.3 Các đặc điểm của WiMax 16

1.4 Các tiêu chuẩn của WiMAX 18

1.5 Ưu nhược điểm của hệ thống WiMAX 19

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WIMAX 22 2.1 Tầng vật lý của WiMAX 22

2.1.1 Kĩ thuật OFDM 22

2.1.2 Kĩ thuật đa truy cập phân chia tần số trực giao OFDMA 25

2.1.3 Cấu trúc khung TDD 25

2.2 Tầng MAC trong WiMAX 30

2.2.1 Tầng hội tụ các dịch vụ chuyên biệt (Service- Specific Convergence Sublayer -CS) 31

2.2.2 Sự phân loại (Classification) 33

2.2.3 Quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề (Packet Header Suppression- PHS). 34

2.2.4 Tầng Chung (Common Part Sublayer) 38

2.2.5 Tầng tập hợp truyền ( Tranmission Convergence Sublayer- TC Sublayer) 39

2.3 Cơ chế truyền gói tin MAC SDU, PDU 40

2.3.1 Định dạng gói MAC PDU 40

2.3.2 Gói tin tiêu đề MAC 41

2.3.3 Gói tin tiêu đề con 43

2.3.4 Phân mảnh và đóng gói các gói tin SDU 45

2.3.5 Cơ chế tự động lặp lại yêu cầu ARQ 47

2.4 Hỗ trợ chất lượng dịch vụ trong chuẩn 802.16 49

2.4.1 Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông 49

2.4.2 Phân loại luồng dịch vụ và các tham số điều khiển chất lượng dịch vụ QoS 51

CHƯƠNG 3: CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO QUÁ TRÌNH LÊN (UPLINK) 56

3.1 Các thuật toán cân bằng (Homogeneous Algorithm) 58

3.1.1 Thuật toán Weighted Round Robin (WRR) 58

3.1.2 Thuật toán Earliest Deadline First (EDF) 59

3.1.3 Thuật toán Weighted Fair Queuing (WFQ) 60

3.2 Các thuật toán lai 62

3.2.1 Thuật toán lai (EDF+WFQ+FIFO) 62

3.2.2 Thuật toán lai (EDF+WFQ) 63

3.3 Các thuật toán cơ hội 65

3.3.1 Thuật toán lập lịch xuyên tầng (Cross- Layer) 66

3.3.2 Thuật toán lập lịch lí thuyết hàng đợi (Queuing Theoretic) 68

3.4 Phân tích độ phức tạp 73

CHƯƠNG 4: CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO DỊCH VỤ VOIP TRONG HỆ THỐNG WIMAX 75

4.1 Voice Over IP? 75

4.1.1 Khái niệm VoIP 75

4.1.2 Mã hóa với kĩ thuật dò tìm thoại VAD (Voice Active Detection) 76

4.1.3 Truyền dẫn tiếng nói qua hệ thống WiMAX 76

4.2 Các thuật toán lập lịch trong hệ thống WiMAX 76

4.2.1 Thuật toán UGS 76

4.2.2 Thuật toán rtPS 77

4.2.3 Thuật toán ertPS 78

4.3 Phân tích và so sánh các thuật toán 80

4.3.1 Phân tích hiệu quả sử dụng tài nguyên 81

4.3.2 Phân tích dung lượng đạt được cho dịch vụ VoIP 84

4.3.3 Độ trễ truyền dẫn gói tin 86

4.4.4 Đánh giá các dịch vụ thông qua mô hình lập lịch WRR 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

Phụ lục 1: 99

TÓM TẮT

WiMAX hiện là một trong những công nghệ mới, được giới công nghệ trong nước cũng như ngoài nước quan tâm Có rất nhiều đề tài nghiên cứu, đánh giá và triển khai về công nghệ này đã được thực hiện và đã có những thành công nhất định Là một công nghệ dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16, WiMAX cho phép cung cấp các dịch vụ không dây băng thông rộng trên diện rộng với kiến trúc mạng linh hoạt Tiêu chuẩn 802.16 được thiết kế để thỏa mãn các yêu cầu về dung lượng, tốc

độ truyền cũng như các tính năng tiên tiến của các dịch vụ đa phương tiện Tiêu chuẩn đạt được rất nhiều tiến bộ như khả năng triển khai nhanh, tốc độ dữ liệu lớn, tính linh động cao, đa phương tiện với giá thành duy trì và nâng cấp thấp Đặc biệt, các tiêu chuẩn mới ra đời như IEEE 802.16 d/e đã khắc phục được các điểm yếu của hệ thống tiền nhiệm bởi các tính năng mới như di động, kĩ thuật truyền dẫn HARQ, …

Các thuật toán lập lịch được đưa ra để hỗ trợ các yêu cầu về chất lượng dịch

vụ (QoS) trong những tiêu chuẩn của WiMAX, đó là UGS, rtPS, ertPS, non-rtPS (nrtPS) và BE Những thuật toán UGS, rtPS và ertPS được dành cho các dịch vụ thời gian thực, vì vậy những thuật toán này có thể được sử dụng cho dịch vụ VoIP Các dịch vụ về thoại có tính nhạy cảm với độ trễ và có vai trò quan trọng trong các dịch vụ đa phương tiện bởi vậy mà đưa ra một thuật toán hiệu quả cho quá trình gửi dữ liệu là rất cần thiết Dựa vào các đặc tính của phiên truyền tiếng nói mà nhiều thuật toán lập lịch ra đời nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ Luận văn này nghiên cứu, phân tích và đánh giá các thuật toán lập lịch cho dịch vụ VoIP là UGS, rtPS và ertPS Luận văn cố gắng đi sâu chi tiết vào kiến trúc của hệ thống WiMAX, đưa ra các thuật toán lập lịch thông dụng nhằm tạo tiền đề cho việc phân tích, và đánh giá khả năng của các thuật toán lập lịch UGS, rtPS và ertPS

nghi

BRAN Broadband Radio Access

Network

Mạng truy cập vô tuyến băng thông rộng

BPSK Binary Phase Shift Keying Khoá dịch pha nhị phân

CDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy cập phân chia theo

mã

Ratio

Tỉ số sóng mang trên nhiễu

CP Cycle Prefix Tiền tố tuần hoàn

tự

DVB-T Digital Video Broadcasting

-Terrestrial

Truyền hình số quảng bá mặt đất

ertPS Extended real time Polling

Service

Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng

FIFO First In First Out Vào trước ra trước

FUSC Fully User Sub-Channel Kênh con người đầy

HDSL High bit rate Digital Subcriber

Line

Đường dây thuê bao số tốc

độ bit cao

HiperLAN2 High Performance Radio

Local Area Network

Chuẩn WLAN (Châu âu) dựa trên OFDM, với tốc độ tối đa 54Mbps Tương tự như IEEE802.11a

ICI Inter - Carrier Interference Nhiễu giữa các sóng mang

IEEE IEEE (Institute of Electrical Chuẩn WLAN (Mỹ) dựa

802.11a and Electronics Engineers)

802.11a

trên OFDM, với tốc độ tối

đa 54Mbps Tương tự như HiperLAN2

IEEE

802.16

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16

Chuẩn truy cập không dây băng thông rộng

IFFT Inverse Fast Furier Transform Biến đổi Furier ngược

LDPC Low Density Parity Check Kiểm tra bít chẵn lẻ mật độ

thấp

gian

MMSE Minimum Mean Squared Error Lỗi bình phương trung bình

nhỏ nhất

nrtPS None real time Polling Service Dịch vụ thăm dò phi thời

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia tần

số trực giao

QAM Quadrature Amplitude

Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying

Khoá dịch pha cầu phương

WiMAX Worldwide Interoperability for

Microwave Access

Khả năng khai thác liên mạng trên toàn cầu đối với truy nhập vi ba

WRR Weighted Round Robin

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Nguyên lý mã hóa và điều chế hỗ trợ trong WiMAX

Bảng 2.1 Nguyên lý mã hóa và điều chế hỗ trợ trong WiMAX

Bảng 2.2 Tốc độ dữ liệu tại tầng Vật lý cho một số kênh truyền

Bảng 2.3 Trường trong gói tin tiêu đề thông thường

Bảng 2.4 Các trường trong gói tin tiêu đề yêu cầu băng thông

Bảng 2.5 Đặc tính và các tham số của các luồng dịch vụ

Bảng 3.1: Độ phức tạp của các thuật toán

Bảng 4.1: Tỉ lệ các mức tốc độ mã hóa

Bảng 4.2: Kích thước gói tin tương ứng các mức mã hóa

Bảng 4.3: Băng thông cấp phát cho các dịch vụ UGS, rtPS, ertPS

Bảng 4.4: Lượng tài nguyên tiết kiệm được bởi thuật toán ertPS so với các

thuật toán UGS, rtPS

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình truyền thông của WiMax

Hình 1.2: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI Hình 2.1: Lớp giao thức trong IEEE 802.16

Hình 2.2: Ghép kênh phân chia tần số trực giao

Hình 2.3: Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM

Hình 2.4 So sánh giữa kĩ thuật OFDM và OFDMA

Hình 2.5: Cấu trúc khung TDD

Hình 2.6: Tiêu đề điều khiển khung FCH

Hình 2.7: DL burst

Hình 2.8: Một định dạng burst khác

Hình 2.9: Cấu trúc khung TDD trong chuẩn 802.16

Hình 2.10: Tầng MAC và Tầng Vật lý trong hệ thống WiMAX

Hình 2.11: Cấu trúc tầng MAC của mạng WiMAX

Hình 2.12: Phân loại và ánh xạ chỉ số kết nối CID (BS sang SS) Hình 2.13: Phân loại và ánh xạ chỉ số kết nối CID(SS sang BS) Hình 2.14: Quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề

Hình 2.15: Sơ đồ quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề

Hình 2.16: Định nghĩa các gói tin SDU và PDU

Hình 2.17: Gói PDU tại tầng với các gói tin MAC PDU

Hình 2.18: Định dạng gói tin PDU

Hình 2.19: Gói tin tiêu đề của gói PDU thông thường

Hình 2.20: Gói tin tiêu đề yêu cầu băng thông

Hình 2.21: Gói tin tiêu đề phân mảnh con

Hình 2.22: Gói tin tiêu đề đóng gói con (PSH)

Hình 2.23: FSH được đặt ngay đầu chuỗi bít dữ liệu

Hình 2.24: Đóng gói các SDU có độ dài cố định thành một gói PDU

Hình 2.25: Đóng gói các SDU có độ dài biến thiên thành một gói PDU

Hình 2.26: Đóng gói các gói tin và mảnh SDU thành một gói PDU

Hình 2.27: Phân mảnh (block) và kết hợp gói tin SDU thành gói PDU

Hình 2.28: Gói tin tiêu đề con cho trường hợp sử dụng cơ chế ARQ

Hình 2.29: Các trường trong gói tin ACK

Hình 2.30: Mô hình yêu cầu và cấp phát băng thông

Hình 2.31: Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS

Hình 3.1: Mô tả thuật toán WRR bằng phương pháp giả mã Pseudo- code Hình 3.2: Mô tả thuật toán EDF bằng phương pháp giả mã Pseudo- code Hình 3.3: Mô tả hoạt động đến của gói tin k trong trạm SS thứ i; arrive(i,k) Hình 3.4: Mô tả hoạt động lựa chọn gói tin k trong trạm SS thứ i; select(i,k) Hình 3.5: Mô tả thuật toán WFQ bằng phương pháp giả mã Pseudo- code

Hình 3.6: Mô tả thuật toán lai (EDF+ WFQ+ FIFO) bằng phương pháp giả

code

Hình 3.9: Mô tả thuật toán lí thuyết hàng đợi băng phương pháp giả mã

Pseudo- code

Hình 4.1: Hoạt động của thuật toán UGS

Hình 4.2: Hoạt động của thuật toán rtPS

Hình 4.3: Họat động của thuật toán ertPS

Hình 4.4: So sánh tài nguyên tiết kiệm được giữa thuật toán ertPS với các

thuật toán UGS và rtPS

Hình 4.5: Dung lượng người dùng lớn nhất tương ứng với các mức điều chế

MCS Hình 4.6: Độ trễ gói tin của các dịch vụ rtPS, ertPS, UGS

Hình 4.7: Mô hình mô phỏng

Hình 4.8 Mô hình giữa các trạm SS và trạm BS

Hình 4.9 Thông lượng cho mô hình 1

Hình 4.10 Thông lượng cho mô hình 2

Hình 4.11 Thông lượng cho mô hình 3

Hình 4.14 Thông lượng cho mô hình 4

Hình 4.15 Thông lượng cho mô hình 5

MỞ ĐẦU

Khi thế giới bước vào kỉ nguyên của Internet, thiết bị di động và truyền tải băng thông rộng thì có rất nhiều công nghệ mới được nghiên cứu, thử nghiệm và đi vào sử dụng Trong vài năm gần đây, một công nghệ mới được giới thiệu- WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access)- tên thương mại của chuẩn 802.16- có nghĩa là khả năng tương tác toàn cầu với viba đã tạo ra sự quan tâm rất lớn với những nhà chuyên môn và các cơ quan chuyên ngành

Là một công nghệ vô tuyến tiên tiến, WiMAX có những đặc điểm vượt trội như là khả năng truyền dẫn tốc độ cao, chất lượng dịch vụ tối, an ninh đảm bảo, dễ dàng lắp đặt, chi phí thấp … chính vì vậy sự phát triển nhanh chóng của WiMAX

là một tất yếu Công nghệ WiMAX ngày càng được hoàn thiện thông qua việc liên tục đưa ra những tiêu chuẩn phù hợp với nhiều lĩnh vực kinh doanh trên thị trường như là thiết bị di động, thiết bị cầm tay,…

Phát triển chất lượng dịch vụ QoS là một trong những ưu tiên hàng đầu trong công nghệ WiMAX Để hỗ trợ nhiều loại hình dịch vụ với các yêu cầu khác nhau, về QoS, các tiêu chuẩn của WiMAX đã đưa ra nhiều thuật toán lập lịch nhằm hỗ trợ các loại hình dịch vụ này Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi giới thiệu và thảo luận một số thuật toán lập lịch gói tin thông dụng được sử dụng trong hệ thống WiMAX, đồng thời cũng đi sâu phân tích và đánh giá các thuật toán lập lịch hỗ trợ cho dịch vụ VoIP Luận văn được tổ chức thành các phần như sau:

Chương 1: Giới thiệu tổng quan về công nghệ WiMAX Nhằm đưa ra các

thông tin cơ bản như lịch sử hình thành, các tiêu chuẩn, ưu khuyết điểm của hệ thống WiMAX

Chương 2: Phân tích chi tiết giao thức, các tổ chức phân lớp cũng như cách

thức hoạt động của WiMAX

Chương 3: Giới thiệu và đánh giá một số thuật toán lập lịch được hỗ trợ

trong công nghệ WiMAX

Chương 4: Phân tích, so sánh, đánh giá các thuật toán lập lịch hỗ trợ cho

dịch vụ VoIP trong hệ thống tiêu chuẩn IEEE 802.16e

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ WIMAX

1.1 Lịch sử, quá trình phát triển

Chúng ta đã biết đến các công nghệ truy nhập Internet phổ biến hiện nay như quay số qua Modem thoại, ADSL, hay các đường thuê kênh riêng, hoặc sử dụng các hệ thống vô tuyến như điện thoại di động, hay mạng WiFi Mỗi phương pháp truy cập mạng có đặc điểm riêng Đối với Modem thoại thì tốc độ quá thấp, ADSL tốc độ có thể lên đến 8Mbit/s nhưng cần có đường dây kết nối, các đường thuê kênh riêng thì giá thành đắt mà không dễ dàng triển khai đối với các khu vực

có địa hình phức tạp Hệ thống thông tin di động hiện tại cung cấp tốc độ truyền 9,6Kbit/s quá thấp so với nhu cầu người sử dụng, ngay cả các mạng thế hệ sau GSM như GPRS (2.5G) cho phép truy cập ở tốc độ lên đến 171,2Kbit/s hay EDGE khoảng 300-400Kbit/s cũng chưa thể đủ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng khi sử dụng các dịch vụ mạng Internet Ở hệ thống di động thế hệ tiếp theo 3G thì tốc độ truy cập Internet cũng không vượt quá 2Mb/s Với mạng WiFi (chính là mạng LAN không dây) chỉ có thể áp dụng cho các máy tính trao đổi thông tin với khoảng cách ngắn Với thực tế như vậy, WiMax (viết tắt của từ Worldwide

Interoperability for Microwave Access) ra đời nhằm cung cấp một phương tiện

truy cập Internet không dây tổng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi Hệ thống WiMax có khả năng cung cấp đường truyền với tốc độ lên đến 70Mb/s và với bán kính phủ sóng của một trạm anten phát lên đến 50 km

WiMAX là tiêu chuẩn IEEE 802.16 cho việc kết nối Internet băng thông rộng không dây ở khoảng cách lớn Đây là kỹ thuật viễn thông cung cấp việc truyền dẫn không dây ở khoảng cách lớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm - điểm cho tới kiểu truy nhập tế bào Dựa trên các tiêu chuẩn IEEE 802.16, còn được gọi là WirelessMAN, WiMAX cho phép người dùng có thể duyệt Internet trên máy laptop mà không cần kết nối vật lý bằng cổng Ethernet tới router hoặc switch Tên WiMAX do WiMAX Forum tạo ra, bắt đầu từ tháng 6 năm 2001 đề xướng việc xây dựng một tiêu chuẩn cho phép kết nối giữa các hệ thống khác nhau Diễn đàn này cũng miêu tả WiMAX là "tiêu chuẩn dựa trên kỹ thuật cho phép chuyền dữ liệu không dây băng thông rộng giống như với cáp và DSL."

Khoá họp Hội đồng thông tin vô tuyến 2007 (RA-07) của Liên minh viễn thông thế giới (ITU), được tổ chức tại Gennève, Thụy Sĩ từ ngày 15-19/10/2007,

đã thông qua việc bổ sung giao diện vô tuyến OFDMA TDD WMAN (WiMAX di động) vào họ giao diện vô tuyến IMT-2000 (thường vẫn được biết dưới tên 3G)

Chuẩn IMT-2000 hiện có 5 giao diện vô tuyến CDMA Direct Spread (thường được biết dưới tên WCDMA), CDMA Multi-Carrier ( thường được biết dưới tên CDMA 2000), CDMA TDD, TDMA Single-Carrier, FDMA/TDMA Sau khi được bổ sung, chuẩn giao diện OFDMA TDD WMAN sẽ là chuẩn giao diện vô tuyến thứ 6 của họ IMT-2000

Các chỉ tiêu về đặc tính phát xạ (phát xạ giả, phát xạ ngoài băng) của các trạm thu phát (BTS) và máy di động (MS) của WiMAX di động cũng đã được bổ sung vào các chuẩn hiện áp dụng cho IMT-2000

1.2 WiMax hoạt động nhƣ thế nào?

Thực tế WiMax hoạt động tương tự WiFi nhưng ở tốc độ cao và khoảng cách lớn hơn rất nhiều cùng với một số lượng lớn người dùng Một hệ thống WiMax gồm 2 phần:

- Trạm phát: giống như các trạm BTS trong mạng thông tin di động với công suất lớn có thể phủ sóng một vùng rộng tới 8000km2

Hình 1.1: Mô hình truyền thông của WiMAX

Các anten thu/phát có thể trao đổi thông tin với nhau qua các tia sóng truyền thẳng hoặc các tia phản xạ Trong trường hợp truyền thẳng, các anten được đặt cố định trên các điểm cao, tín hiệu trong trường hợp này ổn định và tốc độ truyền có thể đạt tối đa Băng tần sử dụng có thể dùng ở tần số cao đến 66GHz vì ở tần số này tín hiệu ít bị giao thoa với các kênh tín hiệu khác và băng thông sử dụng cũng lớn hơn Đối với trường hợp tia phản xạ, WiMax sử dụng băng tần thấp hơn, 2-11GHz, tương tự như ở WiFi, ở tần số thấp tín hiệu dễ dàng vượt qua các vật cản,

có thể phản xạ, nhiễu xạ, uốn cong, vòng qua các vật thể để đến đích

1.3 Các đặc điểm của 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 [1]:

 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 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 để truyền OFDM trong WiMax sử dụng tổng cộng 2048 sóng mang, trong đó có 1536 sóng mang dành cho thông tin được chia thành 32 kênh con mỗi kênh con tương đương với 48 sóng mang 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 1,75MHz Mỗi băng con này được chia nhỏ hơn nữa nhờ công nghệ OFDM, 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 Công nghệ này được gọi là công nghệ đa truy nhập OFDMA

(OFDM access)

 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)

 Về cấu trúc phân lớp, hệ thống WiMax được phân chia thành 4 lớp :

Lớp con hội tụ (Convergence) làm nhiệp vụ giao diện giữa lớp đa truy nhập

và các lớp trên, lớp đa truy nhập (MAC layer), lớp truyền dẫn (Transmission)

và lớp vật lý (Physical) 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 như mô tả ở hình dưới đây

Hình 1.2: Mô hình phân lớp trong hệ thống WiMax so sánh với OSI 1.4 Các tiêu chuẩn của WiMAX

Chuẩn IEEE 802.16: ban đầu được tạo ra với mục đích tạo ra những giao

diện không dây dựa trên một nghi thức MAC (Media Access Control) chung Kiến trúc cơ bản của hệ thống theo chuẩn IEEE 802.16 bao gồm một trạm gốc BS (Base

Station) và các thuê bao SS (Subcriber Station) Trong vùng phủ sóng của mình,

trạm gốc BS sẽ điều khiển toàn bộ quá trình truyền dữ liệu Điều này có nghĩa là sẽ không có sự trao đổi trực tiếp giữa hai trạm thuê bao với nhau Quá trình kết nối

giữa BS và SS bao gồm một kênh gửi lên (Uplink) và một kênh gửi xuống (Downlink) Kênh Uplink được chia sẻ cho nhiều thuê bao, trong khi đó kênh

Downlink sẽ được gửi quảng bá (Broadcast) Trong trường hợp không có vật cản

giữa thuê bao và trạm gốc (line of sight), thông tin sẽ được truyền trên băng tần cao, ngược lại băng tần thấp sẽ được sử dụng nhằm tăng khả năng chống nhiễu

Chuẩn IEEE 802.16a: tiêu chuẩn này được xác định hoạt động trong dải tần

từ 2Ghz cho tới 11 GHz Bởi vì tín hiệu tại tần số thấp có thể xuyên qua chướng ngại vật và vì vậy khái niệm tầm nhìn thẳng giữa trạm phát và nơi nhận là không yêu cầu Các quan tâm thương mại đều tập trung vào dải tần thấp này Tiêu chuẩn IEEE 802.16a được hoàn thành vào tháng 1 năm 2001, cho phép khả năng thực thi của WiMAX trở nên mềm dẻo và linh hoạt hơn trong khi vẫn duy trì được tốc độ

dữ liệu và dải truyền Tiêu chuẩn này cũng hỗ trợ cho mô hình mạng lưới (Mesh)

làm tăng thông lượng và khả năng bao phủ của mạng

Chuẩn IEEE 802.16b: tiêu chuẩn này tăng cường phổ trên băng tần từ 5 – 6 Ghz với nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS) Bằng cách đảm bảo chu kì truyền dẫn cho các ứng dụng thời gian thực như video, thoại, đồng thời phân loại các loại hình dịch vụ cho các ứng dụng khác nhau

Chuẩn IEEE 802.16c: Chuẩn này định nghĩa thêm các profile mới cho dải băng tần từ 10-66GHz với mục đích tăng khả năng hoạt động, trao đổi giữa các

trạm Dải tần cao là có sẵn nhiều hơn, tuy nhiên hạn chế của nó là tín hiệu bị phát

xạ vậy nên đòi hỏi phải triển khai ở môi trường không có chướng ngại vật (line of sight)

Chuẩn IEEE 802.16d: được chấp thuận vào tháng 6- 2004, chuẩn IEEE 802.16d được nâng cấp từ tiêu chuẩn IEEE 802.16a, với mục đích tăng khả năng thực thi của 802.16 đặc biệt là trong quá trình Uplink

Chuẩn IEEE 802.16e: là một chuẩn mở rộng 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 Tiêu chuẩn mới này cho phép người dùng sử dụng dịch vụ truyền thông trong khi di chuyển ở tốc độ cao, có thể lên đến 70-80 mi/h Thiết bị truyền thông có thể là điện thoại di dộng hoặc máy tính xách tay

1.5 Ƣu nhƣợc điểm của hệ thống WiMAX

- Bảo mật cao: các chuẩn mã hóa tiên tiến đều được sử dụng trong công nghệ WiMAX như ASE hay DEX Bằng cách mã hóa các liên kết giữa trạm gốc

BS và trạm thuê bao SS, WiMAX cung cấp các thuê bao riêng đồng thời bảo mật thông tin trên giao diện không dây băng thông rộng WiMAX cũng hỗ trợ công nghệ mạng lan ảo VLAN nhằm tăng cường bảo mật giữa các người dùng chung cùng mạng

- Khả năng triển khai nhanh: so với sự triển khai của các giải pháp hữu tuyến, WiMAX yêu cầu ít hoặc không cần xây dựng kế hoạch mở Các nhà khai

thác chỉ cần có giấy phép để sử dụng một trong số các băng tần được cấp phát, hoặc có kế hoạch để sử dụng một trong các băng tần không được cấp phép mà không cần thiết phải xem xét sâu hơn các ứng dụng cho Chính phủ Khi các thiết bị được lắp đặt và cấp nguồn, hệ thống WiMAX sẽ sẵn sàng phục vụ

- Hỗ trợ chất lượng dịch vụ QoS: WiMAX có thể tối ưu hóa hỗn hợp lưu lượng mạng thành 5 loại hình dịch vụ cơ bản bao gồm dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS, dịch vụ thăm dò thời gian thực rtPS, dịch vụ đáp ứng thăm dò phi thời gian thực nrtPS, dịch vụ BE và dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng ertPS Sự phân loại giúp cho WiMAX hỗ trợ tốt hơn cho từng loại hình traffic, tăng cường chất lượng dịch vụ

- Dung lượng cao: Sử dụng điều chế bậc cao (64-QAM) và độ rộng băng tần (hiện tại là 7MHz), các hệ thống WiMAX có thể cung cấp độ rộng băng tần đáng

kể cho người sử dụng đầu cuối

- Độ bao phủ rộng: công nghệ WiMAX hỗ trợ các phương pháp điều chế đa mức như BPSK, QPSK, 16-QAM, 64- QAM Khi được trang bị với một bộ khuếch đại công suất lớn và hoạt động điều chế ở mức thấp, hệ thống WiMAX có thể bao phủ một vùng địa lý rộng mà ít quan tâm tới tầm nhìn giữa trạm gốc BS và thuê bao SS

- Tính di dộng: chuẩn IEEE 802.16e ra đời, đã tích hợp thêm một số đặc điểm nhằm hỗ trợ tính di động Các cải tiến được tạo ra cho lớp vật lí OFDMA và OFDM để cung cấp các thiết bị và dịch vụ trong môi trường di động

- Khả năng mang theo: với hệ thống tổ ong hiện nay, khi các trạm thuê bao

SS thuộc hệ thống WiMAX được cấp công suất, nó sẽ tự nhận dạng, xác định các đặc tính liên kết với trạm gốc BS, chỉ cần trạm thuê bao đăng kí trong cơ sở dữ liệu

hệ thống và sau đó đàm phán các đặc tính truyền dẫn phù hợp

+ Nhược điểm:

Với bất cứ hệ thống truyền thông vô tuyến nào thì ảnh hưởng của môi trường truyền sóng là không thể tránh khỏi Hệ thống WiMAX cũng có những hạn chế về đường truyền:

- Ảnh hưởng của thời tiết xấu đặc biệt là mưa to có thể làm gián đoạn các cuộc truyền thông

- Các sóng vô tuyến điện lân cận có thể gây nhiễu với kết nối của WiMAX

và là nguyên nhân gây suy giảm tín hiện trên đường truyền hoặc làm mất kết nối

- Ngoài ra vì đây là công nghệ mới do đó việc chuẩn hóa chưa thực sự trên phạm vi toàn thế giới nên gặp khó khăn trong việc động bộ, lắp ráp, thay thế ở các khu vực khác nhau

Kết luận: WiMAX là công nghệ dựa trên chuẩn 802.16 cho phép truy cập

băng thông rộng vô tuyến đến đầu cuối mọi nơi, mọi lúc Công nghệ này đưa ra các khả năng hữu dụng cho các loại hình cố định và di động với chi phí thấp Các tiêu chuẩn của WiMAX ngày càng được hoàn thiện nhằm toàn cầu hóa công nghệ

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG WIMAX 2.1 Tầng vật lý của WiMAX

Tầng vật lý PHY của WiMAX được thiết kế có nhiều điểm tương đồng với Wi-Fi, dựa trên chuẩn IEEE 802.16-2004 và IEEE 802.16e-2005 Tương tự như Wi-Fi, WiMAX sử dụng công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM

(Orthogonal Frequency Division Multiplex) Ưu điểm quan trọng của OFDM là

khả năng mang lại hiệu suất băng thông cao hơn và do 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

Hình 2.1: Lớp giao thức trong IEEE 802.16 2.1.1 Kĩ thuật OFDM

Kỹ thuật OFDM (viết tắt của Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu Sự

chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thường

Hình 2.2: Ghép kênh phân chia tần số trực giao

Trong một hệ thống OFDM, luồng dữ liệu đầu vào được chia thành một số

luồng con song song có tốc độ dữ liệu giảm (làm tăng khoảng symbol) và mỗi

luồng con sẽ được điều chế và phát trên một sóng mang con trực giao riêng

Hình 2.3: Kiến trúc cơ bản của một hệ thống OFDM

OFDM khai thác phân tập tần số của kênh đa đường bởi mã hóa và đan xen thông tin qua sóng mang con trước khi truyền dẫn Điều chế OFDM có thể được thực hiện hiệu quả với biến đổi Fourrier ngược nhanh (IFFT) song vẫn cho phép một số lượng lớn sóng mang con với độ phức tạp thấp Trong một hệ thống OFDM, tài nguyên khả dụng trong miền thời gian là các symbol OFDM và trong miền tần số là các sóng mang con Lượng tài nguyên thời gian và tần số có thể được sắp xếp thành các kênh con để cấp phát cho từng người sử dụng OFDM sử dụng kĩ thuật truyền song song nhiều băng tần con nên kéo dài thời gian truyền kí

tự lên nhiều lần

Trên kênh truyền dẫn thì nhiếu lựa chọn tần số cũng là một vấn đề ảnh hưởng lớn đến chất lượng truyền thông tín hiệu Tuy vậy OFDM của 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 tỉ lệ lỗi bít là giảm bớt số bít mã hóa cho một tín hiệu điều chế tại kênh tần số đó

Một trong các vấn đề quan trọng nhất trong thông tin vô tuyến là trải trễ đa đường OFDM giải quyết vấn đề này rất hiệu quả Vì dòng dữ liệu đầu vào được chia thành N sóng mang con và thời khoảng ký hiệu sẽ giảm đi N lần, do vậy cũng làm giảm trải trễ đa đường liên quan đến thời gian ký hiệu một hệ số tương ứng Nhiễu giữa các ký hiệu ISI được loại bỏ hoàn toàn bằng đưa vào một thời gian bảo

vệ GI cho mỗi ký hiệu OFDM Thời gian bảo vệ được chọn lớn hơn trải trễ để các thành phần đa đường từ một ký hiệu không thể gây nhiễu với ký hiệu kế tiếp Thời gian bảo vệ này có thể là không đáng kể nhưng vấn đề nhiễu giữa các sóng mang ICI sẽ xuất hiện Khi đó, ký hiệu OFDM được mở rộng có chu kỳ trong thời gian bảo vệ Sử dụng phương pháp này, các bản sao trễ của ký hiệu OFDM luôn có một

số nguyên các chu kỳ bên trong khoảng thời gian FFT, miễn là trễ nhỏ hơn thời gian bảo vệ

Tiêu chuẩn IEEE 802.16d đã áp dụng công nghệ OFDM, vì vậy WiMAX fixed có thể hoạt động được trong môi trường NLOS (Non Light of Sight) Trong

đó, tín hiệu được chia thành 256 sóng mang con với 198 là dành cho dữ liệu còn lại dành cho khoảng bảo vệ

2.1.2 Kĩ thuật đa truy cập phân chia tần số trực giao OFDMA

Tiêu chuẩn 802.16e dùng phương thức đa truy nhập kênh phân chia tần số trực giao OFDMA, tương tự như OFDM, các sóng mang được chia thành nhiều

sóng mang con (subcarrier), tuy nhiên các sóng mang con này được chia thành

từng nhóm gọi là các kênh con Các sóng mang con thuộc một kênh con không cần thiết phải liền kế nhau

Hình 2.4 So sánh giữa kĩ thuật OFDM và OFDMA

Trong kĩ thuật OFDMA cho phép nhiều thuê bao chia sẻ cùng một băng tần, nên kĩ thuật này được gọi là OFDMA Mỗi thuê bao có thể được dùng một số sóng mang phụ đã định trước hoặc một thuê bao có thể dùng một số sóng phụ thay đổi tùy theo lượng thông tin cần truyền Sự chỉ định này được điều khiển bằng MAC (Media Access Control) Khi các trạm thuê bao không sử dụng hết không gian sóng mang con thì tất cả công suất phát của trạm gốc sẽ chỉ tập trung vào số sóng mang con được sử dụng

2.1.3 Cấu trúc khung TDD

Khung TDD bao gồm hai loại khung con là khung chỉ định cho đường

xuống (Download) và khung chỉ định cho đường lên (Upload) Độ dài khung có

thể là 0.5, 1, 2ms Chiều dài của 2 khung có thể là khác nhau

Đường lên (Upload)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

Hình 2.5: Cấu trúc khung TDD

Hình 2.6: Tiêu đề điều khiển khung FCH

Hình 2.7: DL burst

Hình 2.8: Một định dạng burst khác

Khung đường xuống (Download) bắt đầu bằng một chuỗi mào đầu dài dành

cho việc đồng bộ, tiếp theo là burst tiêu đề điều khiển khung và cuối cùng là các burst dữ liệu Burst khung tiêu đề điều khiển là một symbol OFDM dài, điều chế QPSK mức ½ Các thông số vật lý của các burst dữ liệu gửi xuống được lưu giữ trong trường DL-MAP Và để phân biệt giữa 2 khung Download và Upload thì khung được chèn thêm một khoảng thời gian TTG

Khung Upload được bắt đầu bằng một khoảng thời gian Ranging dành cho việc thăm dò kết nối, theo sau là chuỗi bít yêu cầu băng thông, cuối cùng là các gói PDU được gửi lên bởi các trạm thuê bao Mỗi PDU chỉ chứa duy nhất một busrt dữ liệu và thường bắt đầu bằng một chuỗi mào đầu ngắn Trường DL-MAP lưu giữ các thông số vật lý của burst Upload

Hình 2.9: Cấu trúc khung TDD trong chuẩn 802.16

Trong chế độ Điểm- đa Điểm, trạm gốc BS gửi quảng bá các burst dữ liệu trong khung DL, tất cả trạm thuê bao SS sẽ lắng nghe nhưng chỉ có thuê bao có địa chỉ được đánh trên PDU xử lý gói tin Trong khung Upload, các trạm thuê bao SS gửi các dữ liệu về trạm gốc theo dạng đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA Dựa trên việc đo đạc và học hỏi từ tầng vật lý trạm SS sẽ điều hợp các thông số như điều chế, tốc độ truyền, sơ đồ FEC Tại điểm đầu của mỗi frame, trạm gốc sẽ lập lịch việc cấp phát băng thông cho các hướng Upload và Download để đàm phán các yêu cầu về QoS

hỗ trợ tùy chọn Bảng 2 tổng kết các nguyên lý mã hóa và điều chế hỗ trợ trong WiMAX

Hướng xuống- DL Hướng lên- UL

64QAM 16QAM

64QAM 16QAM Tốc độ mã

hóa

CC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6 CTC 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 1/2, 2/3, 5/6

Mã lặp x2, x4, x6 x2, x4, x6

Bảng 2.1 : Nguyên lý mã hóa và điều chế hỗ trợ trong WiMAX

Sự tổ hợp các kỹ thuật điều chế và các tốc độ mã đem lại các kết quả khác nhau cho tốc độ dữ liệu Bảng 3 (với độ rộng các kênh là 5 và 10 MHz với các

kênh con PUSC) Độ dài khung là 5ms Mỗi khung có 48 biểu trưng (symbol)

OFDM với 44 biểu trưng sẵn sàng cho việc truyền dữ liệu

64QAM, 2/3 10.080 2.611 10.160 5.376

Bảng 2.2 : Tốc độ dữ liệu tại tầng Vật lý cho một số kênh truyền

Bộ lập lịch trạm gốc xác định tốc độ dữ liệu phù hợp cho mỗi burst dựa trên

kích thước bộ đệm và điều kiện truyền sóng ở phía thu, v.v… Một kênh chỉ thị chất lượng kênh (Channel Quanlity Indicator- CQI) được sử dụng để cung cấp thông tin trạng thái kênh từ thiết bị đầu cuối người dùng đến bộ lập lịch trạm gốc Thông tin trạng thái kênh tương ứng từ kênh CQICH gồm: CINR vật lý, CINR hiệu quả, lựa chọn chế độ MIMO và lựa chọn kênh con lựa chọn tần số

WiMAX di động cũng hỗ trợ HARQ với giao thức “Dừng và Đợi” N kênh

để cung cấp khả năng đáp ứng nhanh sự đóng gói lỗi và cải tiền khả năng phủ sóng đường biên Cell Ngoài ra để cải thiện hơn nữa sự ổn định của đường truyền, một kênh dành riêng báo hiệu ACK được sử dụng ở đường lên

WiMAX cũng cung cấp báo hiệu cho phép hoạt động ở chế độ không đồng

bộ Chế độ này cho phép các độ trễ khác nhau giữa những lần truyền lại và vì vậy đem lại sự linh hoạt cho bộ lập lịch HARQ kết hợp với CQICH và AMC sẽ cung cấp khả năng thay đổi đường truyền trong môi trường di động với tốc độ không vượt quá 120km/h

2.2 Tầng MAC trong WiMAX

MAC là từ viết tắt của cụm từ tiếng Anh “Media Access Control” có nghĩa

là điều khiển phương tiện truy cập Tầng MAC được phân chia thành 3 tầng con theo chức năng bao gồm: tầng hội tụ dịch vụ chuyên biệt (CS- Convergence Sublayer), tầng chung (Common Part Sublayer) và tầng bảo vệ (Security Sublayer) Tầng cung cấp một số chức năng chính như sau:

 Tập hợp các gói SDU (service data unit) từ các tầng cao hơn sau đó phân mảnh hoặc móc nối thành các gói PDU (protocol data unit) là đơn vị cơ bản

chứa thông tin (payload) tại tầng MAC

 Chuyển các gói PDU có chứa các burst profile và điêù chỉnh mức công suất phù hợp

 Phát lại các gói PDU bị lỗi thông qua cơ chế yêu cầu tự động truyền lại ARQ

 Cung cấp điều khiển QoS và các chu kỳ bắt tay cho gói PDU tùy thuộc vào loại dữ liệu và các tín hiệu báo cáo

 Lập lịch cho các gói MAC PDU để sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên vật lý

 Hỗ trợ quản lý cho tầng cao hơn

 Cung cấp các chế độ bảo mật và khoá

 Hỗ trợ các chế độ tiết kiệm năng lượng và các hoạt động nhàn rỗi

Hình 2.10: Tầng MAC và Tầng Vật lý trong hệ thống WiMAX 2.2.1 Tầng hội tụ các dịch vụ chuyên biệt (Service- Specific Convergence Sublayer -CS)

MAC CS có 2 loại lớp con: lớp con hội tụ ATM, và lớp con hội tụ gói dành cho các dịch vụ dữ liệu dạng gói ví dụ như Ethernet, PPP, IP và VLAN Chức năng

cơ bản của lớp CS là nhận dữ liệu từ lớp cao hơn, phân loại dữ liệu dạng ATM hay dạng gói và chuyển các khung này tới lớp CPS CS cố gắng đáp ứng tất cả các hoạt động vốn là đặc tính tự nhiên của của các tầng cao hơn như là nén gói tin tiêu đề hay ánh xạ địa chỉ Tầng CS còn được coi như là tầng điều hợp bới tính năng chuyển các traffic khác nhau thành các gói tin tầng MAC, loại gói tin được thừa nhận trong mạng Các gói tin PDU khi đến tầng MAC sẽ được gọi là các SDU

Một số chức năng chính của tầng CS:

 Tiếp nhận và phân loại các gói tin nhân được từ tầng cao hơn vào các kết nối WiMAX

 Phân phát các gói vừa nhận vào các SAP (MAC) phù hợp

 Loại bỏ các thông tin tiêu đề (nếu cần thiết)

 Nhận các gói PDU từ các tầng ngang hàng để chuyển lên tầng cao hơn

 Tái tạo các thông tin tiêu đề đã bị loại bỏ từ trạm phát

Hình 2.11: Cấu trúc tầng MAC của mạng WiMAX

2.2.2 Sự phân loại (Classification)

Trong mô hình của hệ thống WiMAX, tại tầng MAC, địa chỉ IP của gói tin

sẽ không nhìn thấy thay vào đó sẽ là các chỉ số định dạng kết nối CID (Connection

Identifier)

Sự phân loại là quá trình ánh xạ các gói tin SDU thành các kết nối riêng biệt giúp cho việc truyền nhận giữa các tầng MAC ngang hàng Tiến trình ánh xạ sẽ gắn một gói tin SDU vào một kết nối (thông qua chỉ số kết nối CID) hoặc vào một luồng phục vụ có các đặc tính tương đồng (có cùng các tham số về chất lượng dịch

vụ QoS)

Các gói tin gửi từ tầng trên xuống tầng MAC (gọi là gói tin SDU) sẽ được

phân loại và gán cho một số hiệu thường gọi là chỉ số kết nối CID (Connection

Identifier- CID) nhằm hỗ trợ cho công tác nhận dạng sau khi truyền đến nơi nhận

CID cho quá trình lên (Upload) và xuống (Download) là khác nhau và được coi

như là một địa chỉ động sử dụng tại tầng 2, qua đó xác định các kết nối vô hướng giữa các thực thể ngang hàng MAC/PHY Để ánh xạ các địa chỉ ở tầng trên sang chỉ số CID, tầng CS phải lưu lại một bản ánh xạ giữa địa chỉ đích và chỉ số tương ứng Những gói SDU có cùng một địa chỉ IP đích có thể được gán cho các kết nối khác nhau, phụ thuộc vào những yêu cầu về QoS Tầng CS xác định các SDU cùng chỉ số CID thì không chỉ phụ thuộc vào địa chỉ IP đích mà còn vào các yếu tố khác như chỉ số luồng phục vụ (Service flow ID- SFID) hay địa chỉ nguồn

Quá trình phân loại các luồng download sẽ được quản lý bởi trạm BS còn ngược lại quá trình upload sẽ do SS quản lý Một khi CID đã được xác định thì một số thông tin tiêu đề cố định (ATM cell, điạ chỉ IP) có thể được loại bỏ bởi quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề (PHS)

Hình 2.12: Phân loại và ánh xạ chỉ số kết nối CID (BS sang SS)

Hình 2.13: Phân loại và ánh xạ chỉ số kết nối CID(SS sang BS)

2.2.3 Quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề (Packet Header Suppression- PHS)

WiMax là dịch vụ kết nối có hướng, hầu hết các thông tin định tuyến trong gói tin sẽ bị dư thừa mỗi khi kết nối thành công vì thế tầng Hội tụ cung cấp một cơ

chế gọi là “Cơ chế loại bỏ gói tin tiêu đề - PHS” nhằm tránh dư thừa các thông tin này Các thông tin dư thừa sẽ được lưu dữ và phục hồi tại nơi nhận

Quá trình loại bỏ là tùy chọn, tuy nhiên hầu hết các hệ thống đều sử dụng đặc tính này vì nó làm tăng tính hiệu quả cho các dịch vụ như VoIP, … Hoạt động của quá trình loại bỏ dựa trên các luật PHS sử dụng các tham số liên quan đến tiêu

đề như địa chỉ IP nguồn, đích,… Luật loại bỏ PHS phụ thuộc vào loại hình dịch vụ (VoIP, Http, FTP…) và vì vậy số lượng byte có thể bị ngắt tùy thuộc vào đặc tính

tự nhiên của các dịch vụ này Ví dụ: dịch vụ VoIP, thông tin lặp lại trong gói tiêu

đề không chỉ là địa chỉ IP nguồn và IP đích, mà còn thông tin về chiều dài của gói Trong khi đó dịch vụ Http thì độ dài có thể thay đổi đối với từng gói SDU

Quá trình loại bỏ sử dụng chỉ số loại bỏ gói tin tiêu đề PHSI (Packet Header

Suppression Index) để gán cho các SDU có thông tin tiêu đề bị ngắt Chỉ số PHSI

có độ dài 8 bít, khi gói tin SDU không tiến hành loại bỏ tiêu đề thì chỉ số PHSI =0

và ngược lại PHSI #0 Các chỉ số này được lưu dữ trong bảng danh sách các chỉ số

PHSF (Packet Header Suppression Field) Sự phân loại sẽ ánh xạ duy nhất một

luật PHS cho một gói tin vì vậy khi sự phân loại bị xóa, các luật này cũng bị xóa theo Nơi nhận sử dụng chỉ số định dạng kết nối CID và chỉ số loại bỏ gói tin để phục hồi danh sách PHSF

Quá trình PHS sử dụng một tham số để xác định có hay không quá trình loại

bỏ các thông tin gọi là tham số xác định PHSV (Payload Header Suppression

Valid) và một tham số mặt nạ PHSM (Payload Header Suppressiong Mask) nhằm

giữ lại những byte không bị loại bỏ Chuỗi bít mặt nạ sẽ loại bỏ các thông tin lặp lại từ các tầng cao hơn như địa chỉ IP v.v… và cho phép truyền đi các thông tin có khả năng thay đổi khi truyền qua các tầng phiên

Trạm gốc cung cấp các giá trị CID và PHSI Các trạm gửi và nhận sẽ xác định danh sách trường PHSF và kích cỡ của phần bị loại bỏ PHSS (Payload Header Suppression Size) Điều này cho phép cấu hình trước các tiêu đề hoặc thiết lập các bộ đệm cho các giao thức không thuộc chuẩn WiMAX

Hình 2.14 Quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề

Mô tả quá trình loại bỏ thông tin dư thừa

Khi một gói SDU đến (từ tầng cao hơn), trước tiên tầng CS xác định gói tin

có tồn tại luật loại bỏ gói tin dư tiêu đề hay không Nếu luật được tìm thấy, tầng

CS xác định phần gói tin không bị loại bỏ thông qua tham số mặt nạ PHSM gắn liền với gói tin SDU và danh sách trường PHSF sẽ lưu lại những phần bị loại bỏ

Khi tham số PHSV được xác định, tầng CS tiến hành so sánh giữa các bít trong danh sách trường PHSF với các bít trong gói tiêu đề dựa trên luật PHS Nếu

có sự trùng lặp giữa danh sách trường PHSF của gói tin SDU và danh sách trong

bộ đệm, các byte tương ứng sẽ bị loại bỏ và thay vào đó gói tin SDU được gắn thêm chỉ số PHSI Ngược lại nếu không có sự trùng lặp, quá trình loại bỏ sẽ không xảy ra và chỉ số PHSI được gán bằng 0

Trong khi đó, nếu chỉ số PHSV không sử dụng, quá trình so sánh chỉ số PHSF của gói SDU và bộ đệm được bỏ quá Và thay vào đó, công việc loại bỏ gói tin tiêu đề được thực hiện trên tất cả các gói SDU

Tại nơi nhận, khi gói tin PDU đến, tầng MAC xác định chỉ số định dạng kết nối CID gắn liền bằng cách kiểm tra toàn bộ gói tin tiêu đề Thông qua chỉ số CID

và PHSI, tầng CS tại nơi nhận tìm ra các chỉ số PHSF, PHSM, PHSS và qua đó tái tạo lại gói tin tiêu đề

Hình 2.15: Sơ đồ quá trình loại bỏ gói tin tiêu đề

Để quá trình PHS hoạt động thì giữa trạm phát và nhận phải có sự đồng bộ Khi bắt đầu hoặc thay đổi luật PHS, trạm gốc sẽ gửi một thông điệp phân phát dịch

vụ động (DSA- Dynamic Service Allocation) hoặc thay đổi dịch vụ động (Dynamic Service Change) tương ứng với các tham số PHSI, PHSF, hoặc PSHM Còn đối với các trạm thuê bao, các thông điệp trên cũng sẽ được gửi với tất cả các tham số ngoại trừ PHSI Như chỉ số kết nối CID, PHSI chỉ được cấp phát bởi trạm gốc BS và vì vậy khi một trạm thuê bao gửi thông điệp sẽ nhận được một đáp ứng

Xác định CID và PHSI

Xác định PHSF và PHSM từ luật PHS

Tái tạo gói tin tiêu đề

Gửi gói SDU lên tầng cao hơn

Chuyển gói tin SDU xuống tầng MAC

Yes

No Trạm phát

từ trạm gốc BS với PHSI thường được dùng trong luật PHS Để xóa một luật loại

bỏ gói tin tiêu đề PHS, trạm gốc BS hoặc trạm thuê bao SS sẽ gửi một thông điệp xóa dịch vụ động (DSD- Dynamic Service Delete)

2.2.4 Tầng Chung (Common Part Sublayer)

Tầng chung MAC CPS (Common-Part Sublayer) là phần lõi của lớp IEEE

802.16 MAC 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.Truyền thông giữa CS và CPS được các điểm truy nhập dịch vụ MAC (MAC SAP) duy trì

Các gói SDU đi xuống từ các tầng cao hơn được tầng Chung CPS tập hợp để tạo thành gói tin MAC PDU, đơn vị tải cơ bản liên kết giữa tầng MAC và tầng Vật

lý (PHY) Dựa trên kích cỡ của đơn vị tải, nhiều gói SDU có thể được mang trên

cùng một gói MAC PDU, hoặc một gói SDU có thể được phân mảnh để ghép trên nhiều gói MAC PDU Khi chia nhỏ gói tin SDU, vị trí của mỗi mảnh sẽ được đánh dấu theo số thứ tự, cho phép tại nơi nhận sắp xếp các phân mảnh theo đúng trình

tự

Một khi các gói tin SDU từ tầng Hội tụ chuyển xuống tầng Chung CPS sẽ được thêm vào các thông tin tiêu đề và mã sửa lỗi CRC (lựa chọn) để trở thành các gói tin PDU tầng MAC Thông thường các luồng traffic TCP sẽ được đóng gói thành các gói tin IP để rồi sau đó trở thành các frame Ethernet

PHSI (optional) Packet PDU

(a) Gói tin MAC SDU

Hình 2.16: Định nghĩa các gói tin SDU và PDU

Ngoài các kết nối dành cho việc truyền dữ liệu, tầng MAC còn sử dụng một

số kết nối cho mục đích khác: 01 kết nối cho việc thăm dò đường truyền, 01 kết nối cho việc truyền quảng bá (broadcast tranmission) trong quá trình tải xuống (download) cũng như cho truyền quảng bá thăm dò trong quá trình cạnh tranh băng thông của trạm thuê bao SS…

2.2.5 Tầng tập hợp truyền ( Tranmission Convergence Sublayer- TC

PHSI ≠0 IEEE 802.16 PDU đã loại bỏ tiêu đề

dư thừa (b) Gói tin 802.16 CS PDU đã loại bỏ gói tin