a. Tiêu đề báo hiệu MAC loại I:
Có hai loại định dạng MAC mà không có tải trọng là loại I và loại II, với loại này thì các tiêu đề MAC này không có phần payload MAC PDU và CRC. Định dạng tiêu đề này chỉ áp dụng cho UL, nó có kích thước tương tự như của tiêu đề MAC chung.
Các chuẩn IEEE 802.16 -2004 có tiêu đề yêu cầu băng thông là tiêu đề mà không cần tải trọng. Sau khi sửa đổi, các chuẩn IEEE 802.16e giới thiệu tiêu đề MAC mà không có tải trọng payload như là một tên frame. Bây giờ tiêu đề yêu cầu cấp phát băng thông là một trường hợp đặc biệt cho các định dạng tiêu đề MAC không cần payload. Với định dạng này, tiêu đề MAC được minh họa như trong hình 2.8 [12]
Hình 2.8 Định dạng tiêu đề báo hiệu MAC loại I [26] Các mô tả của các bit được được thể hiện trong Bảng 2.2
b. Tiêu đề báo hiệu MAC loại II:
Đây là tiêu đề MAC cho UL đặc biệt, không có tải trọng. Kiểu tiêu đề MAC loại II được sử dụng cho một số thông tin phải hồi đặc trưng cho công nghệ OFDMA và MIMO…
c. Các kết nối MAC trong chuẩn IEEE 802.16
Các dịch vụ trong chuẩn 802.16 là hướng kết nối (Conection oriented), mỗi kết nối đi kèm với các thông số QoS, được phục vụ bởi năm dịch vụ lập lịch. Kết nối định dạng CID 16bit được sử dụng trong MAC PDU, có chức năng tham chiếu cho tất cả các kết nối và liên tục được cấp phát băng thông theo yêu cầu.
Có hai loại kết nối MAC là kết nối quản lý và kết nối truyền tải. Kết nối quản lý mang thông điệp quản lý, kết nối truyền tải thường mang dữ liệu người dùng. SS có thể có nhiều kết nối đến SS với các dịch vụ khác nhau như quản lý hoặc vận chuyển dữ liệu.
Ngay sau khi SS kết nối mạng, SS được gán ba kết nối quản lý được thiết lập: Quản lý sơ cấp, quản lý cơ bản và quản lý thứ cấp. Ngoài ba kết nối quản lý này, SS được cấp phát các kết nối vận chuyển, Transport connections: Có thể được thiết lập theo yêu cầu, chúng được sử dụng cho các luồng lưu lượng của người dùng, truyền unicast hoặc multicast. Tạo thuận lợi cho vấn đề chất lượng dịch vụ QoS theo hướng UL và DL và các thông số lưu lượng truy nhập. Ngoài ra lớp MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung như sự truyền quảng bá broadcast hoặc polling. Một CID có thể thực hiện nhiều lưu lượng khác nhau cho các phiên khác nhau cho lớp cao hơn.
Basic Connection (Kết nối cơ bản): Quản lý các kết nối cơ bản được xác lập cho các trao đổi ngắn, delay-critical MAC và RLC (Radio Link Control).
Primary Management connection (kết nối Quản lý sơ cấp): Cho các thông điệp có dài hơn và chịu trễ nhiều hơn như xác thực và thiết lập kết nối.
Secondary Management Connection (Kết nối Quản lý thứ cấp): Cho các thông điệp quản lý, Dựa trên cơ sở các chuẩn như các thông điệp chuẩn DHCP (Dynamic Hình 2.9 Tiêu đề báo hiệu MAC loại II
Host Configuration Protocol), TFTP (Trivial File Transfer Protocol) và SNMP (Simple Network Management Protocol) [12].
d. Tiêu đề con MAC
Sự có xuất hiện của tiêu đề con được chỉ ra bởi một trường trong tiêu đề chung MAC, năm loại tiêu đề con có thể xuất hiện:
Năm subheader có thể được sử dụng trong một MAC PDU loại chung: Mesh subheader (tiêu đề con lưới), Fragmentation subheader (tiêu đề con phân mảnh), Packing subheader (tiêu đề con đóng gói), Fast-feedback allocation subheader (tiêu đề con cấp phát phản hồi nhanh), Grant-management subheader (tiêu đề con cấp quản lý) [12].
e. Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông
Phần này được trình bày chi tiết trong mục 3.3 chương III. g. Sự phân mảnh và đóng gói
Kỹ thuật phân mảnh (Fragmentation) và đóng gói (Packing) được đưa ra trong chuẩn 802.16, kỹ thuật này được áp dụng tùy thuộc vào điều kiện cụ thể như độ dài gói tin và điều kiện kênh truyền.
Kỹ thuật phân mảnh: Phân mảnh là quá trình xảy ra khi một MAC SDU được chia thành nhiều MAC PDU. Kỹ thuật này đặc biệt hiệu quả đối với các kênh truyền có chất lượng thấp và các gói tin có độ dài lớn. Khi thực hiện phân mảnh sẽ làm giảm nguy cơ mất toàn bộ MAC SDU, thay vào đó (với điều kiện kênh truyền tồi) sẽ chỉ mất một phần SDU. Bên cạnh đó, việc chia nhỏ các SDU ra cũng giúp việc sử dụng băng thông hiệu quả hơn. Tuy nhiên một nhược điểm của phân mảnh là làm tăng thêm các thông tin header gây tốn băng thông đường truyền.
Hình 2.10: Phân mảnh MAC SDU thành nMAC PDU [12]
MAC SDU Generic MAC Header (6 bytes) Fragment Sub-Header (1-2 bytes) Optional CRC (4 bytes) MAC SDU Fragment #1 Generic MAC Header (6 bytes) Fragment Sub-Header (1-2 bytes) Fragment Sub-Header (1-2 bytes) MAC SDU Fragment #2 MAC SDU Fragment #n Optional CRC (4 bytes) Optional CRC (4 bytes) Fragment #1 Fragment #2 Fragment #n
MPDU #1 MPDU # n MPDU #1 Generic MAC Header (6 bytes)
Kỹ thuật đóng gói (Packing): Đóng gói là kỹ thuật ngược với kỹ thuật phân mảnh, trong kỹ thuật này lớp MAC thực hiện đóng gói nhiều MAC SDU vào một MAC PDU. Kỹ thuật này làm tăng khả năng mất nhiều gói tin cùng một lúc, do đó sẽ chỉ thích hợp sử dụng trong điều kiện kênh truyền thực sự tốt (giảm nguy cơ mất gói) và độ dài các gói tin tương đối ngắn, khi đó đóng gói sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông. Bên phát sẽ được toàn quyền quyết định có thực hiện kỹ thuật đóng gói hay không.
Hình 2.11: Đóng gói MAC PDU [12] 2.5 Lớp con bảo mật PS
Toàn bộ bảo mật của 802.16 dựa vào lớp con bảo mật. Lớp con bảo mật là lớp con giữa MAC CPS và lớp vật lý. Lớp con bảo mật, chụi trách nhiệm mã hóa và giải mã dữ liệu mà đưa đến và đi ra khỏi lớp vật lý PHY và cũng được sử dụng cho cấp phép và trao đổi khóa bảo mật, ngăn chặn đánh cắp dịch vụ. Cơ chế bảo mật được sử dụng trong chuẩn 802.16, sử dụng các giao thức EAP - Giao thức chứng thực mở rộng , AES - Chuẩn mã hóa tiên tiến, PKM Quản lý khóa riêng tư. Trong luận văn này tác giả không nghiên cứu sâu về lớp PS này.
2.6 . Quản lý chất lượng dịch vụ QoS:
Hỗ trợ QoS là một phần cơ bản của thiết kế lớp MAC trong WiMAX. Để hỗ trợ một dải rộng các ứng dụng, WiMAX định nghĩa ra 5 dịch vụ lập lịch (scheduling services) có thể được hỗ trợ bởi bộ lập lịch MAC của trạm gốc (BS) để truyền dữ liệu qua một kết nối, đó là các dịch vụ: UGS, ertPS, rtPS, nrtPS và BE các dịch vụ này sẽ được khảo sát trong chương III của luận văn tốt nghiệp này.
2.7 Cấu trúc khung TDD trong chế độ PMP
Đối với kiến trúc PMP khi băng tần được cấp phép sử dụng, có hai phương pháp sông công thường sử dụng là FDD và TDD. Trong các băng tần được cấp phép, phương pháp song công TDD thường được sử dụng, và thường được sử dụng bởi các chuẩn IEEE 802 [12], trong FDD, quá trình truyền trao đổi hai hướng ở hai tần số khác
nhau trong khi TDD thì chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng lại ở những thời gian khác nhau.
Khung TDD gồm hai phần: Download Subframe và Uplink Subframe. Với TDD chỉ cần 1 kênh tần số, lưu lượng đường lên và đường xuống được phân chia theo các khe thời gian. TDD chỉ yêu cầu một kênh đơn cho cả đường lên và đường xuống, cung cấp tính mềm dẻo tốt hơn để thích ứng cấp phát phổ rộng khác nhau. Thiết kế máy thu phát vô tuyến cho TDD thì ít phức tạp hơn nên rẻ hơn.
Hình 2.12 Ví dụ của cấu trúc OFDM với TDD trong PMP
Khung con đường xuống (DL Subframe): Khung con đường xuống là một đơn vị giao thức dữ liệu lớp vật lý (PHY PDU) đường xuống. Nó bao gồm mào đầu (preamble), một header điều khiển khung (FCH), và một hoặc nhiều burst dữ liệu đường xuống. Mỗi burst dữ liệu đường xuống bao gồm một hoặc nhiều MAC PDUs và có độ dài bằng một số nguyên lần độ dài của symbol OFDM. Cấu trúc một khung con đường xuống được mô tả trong hình 2.13.
Khung con đường lên (Uplink Subframe) Khung con đường lên bao gồm một hoặc nhiều PHY PDU của các SS khác nhau. Mỗi PHY PDU có một mào đầu và một burst dữ liệu. Cũng như ở đường xuống, mỗi burst dữ liệu bao gồm một hoặc nhiều MAC PDU, có độ dài bằng một số nguyên lần độ dài của symbol OFDM. Hình 2.13 mô tả một cấu trúc khung con đường lên khi được vận hành ở chế độ TDD.
Frame n-1 Frame n Frame n+1 Frame n+2
time
DL PHY PDU Contention slot for Initial ranging
Contention slot for IBW requests UL PHY PDU from SS#1 UL PHY PDU from SS#k UL subframe Preamble FCH DL burst#1 DLFP Broadcast messages
DL burst#2 DL burst#n Preamble UL burst DL subframe
Regular MAC PDUs
…
MAC Msg 1
MAC PDU-1 Pad MAC Msg N MAC PDU-n
MAC Msg 1 MAC PDU-1
MAC Msg N MAC PDU-n Pad
… … CRC (optional) MAC msg payload (optional) MAC Header 6 bytes CRC (optional) MAC msg payload (optional) MAC Header 6 bytes
Hình 2.13 Khung OFDMA ở chế độ TDD
Hình 2.13: Khung được chia thành hai khung con, một khung cho downlink (DL subframe) và sau đó là một khung uplink (UL subframe) được ngăn cách bởi một khoảng bảo vệ nhỏ. Khoảng bảo vệ TTG (Transmit Transition Gap) sau khung con DL và RTG (Receive Transition Gap) sau khung con UL [12].
CHƯƠNG III. CƠ CHẾ LẬP LỊCH HỖTRỢ QoS TRONG WiMAX 3.1 Tổng quan
Chương này sẽ trình bày, giải thích khái niệm chất lượng dịch vụ. Trong đó có bốn lớp dịch vụ trong WiMAX cố định như: Nỗ lực tốt nhất (BE), dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS), dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS), dịch vụ thăm dò phi thời gian thực (nrtPS) và trong WiMAX di động có thêm một lớp dịch vụ nữa là: dịch vụ thăm dò phi thời gian thực mở rộng enrtPS. Kiến trúc chất lượng dịch vụ QoS được giới thiệu cho dịch vụ điểm đa điểm PMP. Các gói tin từ SS được phân loại theo loại kết nối dựa trên các kết nối định dạng CID và được chuyển đến hàng đợi thích hợp cho giao tiếp với BS, các kiến trúc lập lịch UL và DL cũng như các thuật toán lập lịch scheduling sẽ được thảo luận trong chương này.
3.2 Hỗ trợ QoS trong chuẩn 802.16
Để đáp ứng với các yêu cầu QoS khác nhau từ các lưu lượng không đồng nhất, giao thức MAC 802.16 là hướng kết nối và sử dụng kiểm soát đăng nhập (Admission control) nghiêm ngặt. Tại thời điểm bắt đầu của mỗi khung, bộ lập lịch BS cấp phát băng thông cho DL và UL và thời gian đáp ứng các yêu cầu QoS được thỏa thuận. Tất cả các thông tin liên quan đến khung con UL (khoảng thời gian tranh chấp băng thông và khe dữ liệu UL) được truyền đến các SS của BS trong UL-MAP vào lúc bắt đầu của khung con DL của mỗi khung. SS chỉ được phép truyền dữ liệu chỉ trong cơ hội truyền được xác định trước của mình, tức là khe thời gian trong khung con UL trong giao thức MAC.
Một kiến trúc mạng điển hình của WiMAX trong chế độ PMP được hiển thị như hình 3.1, trong đó SS giao tiếp với sink bên ngoài thông qua WiMAX và Internet [13].
Hình 3.1: Một truy cập không dây băng thông rộng điển hình BWA với trường hợp sử dụng WiMAX
3.3 Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông
Yêu cầu và cấp phát băng thông
Tại UL, SS sẽ chủ động gửi yêu cầu băng thông, Cơ chế yêu cầu băng thông được trạm SS sử dụng để thông báo cho trạm BS cần cấp phát băng thông. Thông báo yêu cầu băng thông có thể bằng MAC header yêu cầu băng thông hoặc thông báo PiggyBack (gửi kèm trong MAC header chung)
Các yêu cầu băng thông chia làm ba kiểu:
o Bandwidth Request message: Có hai kiểu thông báo incremental (tăng dần) hoặc aggregate (toàn bộ). Tại DL thì tất cả các quyết định về việc cấp phát băng thông như thế nào giữa các người dùng đều được quyết định chỉ bởi BS. BS sẽ dựa trên yêu cầu QoS của từng MAC PDU từ đó đưa ra quyết định cấp phát và truyền tải chúng tới SS thông qua bản tin DL-MAP. Khi trạm BS nhận được một thông báo yêu cầu băng thông kiểu incremental, sẽ cấp phát bổ sung một lượng băng thông theo yêu cầu cho kết nối. Ngược lại, khi trạm BS nhận được một thông báo yêu cầu băng thông kiểu aggregate, sẽ cấp phát một lượng băng thông thay thế cho lượng băng thông hiện tại. Trường Type trong tiêu đề yêu cầu băng thông chỉ thị kiểu thông báo yêu cầu băng thông là incremetal hay aggregate.
o PiggyBacked request (cho các dịch vụ khác UGS): Được chứa trong tiêu đề con Grant Management, không có trường Type, do đó mặc định kiểu incremental.
Thăm dò Polling
Cơ chế polling được thực hiện tại BS, là quá trình thăm dò để cấp phát băng thông cho SS gửi Banwidth Request. Có thể cấp phát cho từng SS riêng biệt hay cho một nhóm các SS. Có hai kiểu polling:
o Unicast Polling: thăm dò một SS riêng biệt. Nếu như một trạm SS không cần cấp phát băng thông, nó gửi lại request có độ dài 0 byte.
o Multicast and Broadcast Polling: thăm dò một nhóm hay toàn bộ các trạm do không đủ băng thông để thăm dò từng trạm SS riêng lẻ.
Những SS có kết nối dịch vụ cấp phát tự nguyện (Unsolicited Grant Service - UGS) không được thăm dò, bởi vì yêu cầu băng thông có thể được gửi khi cấp phát UGS dưới dạng PDU bandwidth-request cũng như dạng kèm theo các MAC PDU chung.
Hình 3.2: Yêu cầu và cấp phát băng thông trong lớp dịch vụ BE [13] 3.4 Các thông số hỗ trợ QoS
Phần này sẽ giới thiệu về các thông số của QoS như: Băng thông, độ trễ, biến động trễ, mất gói.
3.4.1Băng thông
Băng thông (Bandwidth) được định nghĩa là khối lượng tối đa của dữ liệu trên một đơn vị thời gian có thể được truyền qua một kết nối mạng cụ thể. Nó xem xét có bao nhiêu khả năng dữ liệu một ứng dụng tiêu tốn. Nó được đo bằng bit/s (bps). Ngày nay băng thông tạo thành các tiêu chí chất lượng quan trọng nhất, đặc biệt là trong vùng truy nhập, để phân biệt giữa các giải pháp truy cập internet. Các ứng dụng tương tác như chơi game, VoIP sử dụng rất ít băng thông, nhưng các ứng dụng như download hoặc streaming đa phương tiện có thể yêu cầu băng thông lớn [12].
3.4.2 Độ trễ Lacency (Delay)
Độ trễ là một thước đo của thời gian cần cho dữ liệu để thực hiện một chuyến đi end-to-end từ nguồn đến đích của mạng, là trung tâm cho những ứng dụng sử dụng truyền thông thời gian thực, như giọng nói voice và video. Độ trễ end-to-end là thời gian cần thiết để gói tin đi từ nguồn đến đích và trong suốt với các node trung gian (không quan tâm đến thời gian đến tại các node trung gian). Lacency hoặc Delay phụ thuộc vào khoảng cách, tốc độ truyền và thời gian xử lý giữa các node mạng.
=∑ −
Hình 3.3: Công thức tính độ trễ trung bình
Hình 3.3 đưa ra công thức tính độ trễ trung bình, trong đó PacketArrivali là thời
gian gói tin thứ i đến đích, PacketStarti là thời gian gói tin thứ i rời khỏi nguồn, n là tổng số các gói tin [22].
3.4.3 Jitter
Jitter (là độ biến thiên của độ trễ) xảy ra khi gói tin đến vào những thời điểm khác nhau do thời gian xếp hàng khác nhau hoặc do các tuyến đường khác nhau được thực hiện bởi sự truyền thông.
Độ lệch tối đa được đo bằng mili giây. Một mức độ cao của jitter làm suy yếu chất lượng của các kết nối trong trường hợp của các dịch vụ thời gian là quan trọng như VoIP hoặc truyền tải video. Một cách để chống lại suy yếu gây ra bởi jitter là sử dụng một bộ nhớ đệm. Lưu trữ ở bộ nhớ đệm vào đầu gói tin đi đến, sau đó móc nối đến các gói dữ liệu, và do đó làm mượt hơn giọng nói khi đến ở người nhận.
=∑ |( − ) − ( − )|
−
Hình 3.4: Công thức tính biến thiên trễ trung bình 3.4.4 Tỷ số mất tin (Packet loss)
Mất gói ảnh hưởng đến chất lượng của dịch vụ, là số đơn vị dữ liệu bị mất cực đại trong một đơn vị thời gian. Ngoài ra còn có khái niệm kích thước mất tin: đó là số gói tin bị mất liên tiếp cực đại. Bên cạnh tỷ số mất tin ta có thể dùng khái niệm độ tin