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 cậy: tỷ số mất tin tỷ lệ nghịch với độ tin cậy.
=∑
∑ 100
Hình 3.5: Công thức tính tỷ số mất mát gói tin
Hình 3.5 đưa ra công thức tính tỷ số mất tin đơn giản, trong đó ∑LostPacketSizei (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
là tổng kích thước gói dữ liệu bị mất, ∑PacketSizej là tổng kích thước của tất cả các
gói dữ liệu được gửi đi. 3.4.5 Thông lượng
Thông lượng (Throughput) là số đơn vị thông tin tính trung bình được vận chuyển qua mạng trong một đơn vị thời gian, là thước đo tỷ lệ bit/s (Đơn vị KBps hoặc MBps) được tạo ra bởi ứng dụng. Công thức tính như sau:
= ∑
−
Hình 3.6: Công thức tính thông lượng
Hình 3.6 đưa ra công thức tính thông lượng, trong đó: PacketSizei là kích thước
của gói tin thứ i đến đích, PacketStart0 là thời gian gói tin đầu tiên rời khỏi nguồn,
PacketArrivaln là thời điểm gói tin cuối cùng n đến đích.
3.5 Phân lớp QoS
Sự phân lớp QoS trong mạng WiMAX được tổng kết trong bảng 3.1[12,14]
Dịch vụ Mô tả Chi tiết kỹ thuật Ứng dụng
UGS Dịch vụ cấp
Hỗ trợ các luồng dịch vụ thời gian thực, mà cấp phát
Tốc độ duy trì tối đa Khả năng chịu độ trễ
VoIP (Không triệt
không phải yêu cầu
kích thước gói dữ liệu là cố định trên cơ sở định kỳ, như VoIP (Yêu cầu cấp phát băng thông cố định)
latency tối đa Khả năng chịu jitter
khoảng lặng) rtPS Dịch vụ thăm dò thời gian thực Hỗ trợ các luồng dịch vụ thời gian thực mà kích thước gói dữ liệu biến đổi trên cơ sở định kỳ chẳng hạn như video streaming hoặc âm thanh
Tốc độ duy trì tối đa Khả năng chịu độ trễ latency tối đa
Ưu tiên lưu lượng truy cập Streaming audio or video ertPS Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng (Mới đưa vào chuẩn IEEE 802.16e- 2005) Mở rộng của rtPS để hỗ trợ cho các luồng lưu lượng có tốc độ biến thiên như VoIP, VAD
Tốc độ dành riêng tối thiểu
Tốc độ duy trì tối đa Khả năng chịu độ trễ latency tối đa
Khả năng chịu jitter Ưu tiên lưu lượng truy cập VoIP, VAD nrtPS Dịch vụ thăm dò không phải thời gian thực Dịch vụ này dành cho các luồng không phải thời gian thực, đòi hỏi cấp phát băng thông tối thiểu
Tốc độ dành riêng tối thiểu
Tốc độ duy trì tối đa Ưu tiên lưu lượng truy cập
FTP
BE Nỗ lực tối
đa (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỗ trợ cho các lưu lượng có gắng tối đa
Tốc độ duy trì tối đa Ưu tiên lưu lượng truy cập
Truyền dữ liệu, duyệt Web,… Bảng 3.1 Các lớp dịch vụ trong mạng WiMAX
3.5.1 Dịch vụ cấp phát không yêu cầu (UGS)
Dịch vụ UGS được thiết kế cho các luồng lưu lượng thời gian thực mà việc phát các gói dữ liệu kích cỡ cố định trên nền tảng định kì như T1/E1 và VoIP. Trong các dịch vụ UGS, các BS cung cấp một khoản băng thông kích thước cố định trên cơ sở định kỳ theo thời gian thực, đối với UGS SS là cấm sử dụng bất kỳ cơ hội yêu cầu tranh chấp. Tuy nhiên, băng thông dành riêng có thể bị lãng phí khi luồng UGS tương ứng không hoạt động. UGS không có sự thăm dò, sự cấp phát là tĩnh. Hỗ trợ tốc độ bit hằng số CBR như VoIP.
3.5.2 Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS)
Dịch vụ này được thiết kế để hỗ trợ cho các dịch vụ mà tạo ra các gói dữ liệu có kích thước thay đổi định kỳ thời gian thực như video MPEG (Motion Pictures Experts Group). Trong lớp dịch vụ này, có một yêu cầu chặt chẽ về trễ, nếu bất kỳ gói nào mà đến chậm, vượt quá giới hạn chót deadline, những gói đó sẽ bị loại. Trong lớp dịch vụ này, các BS sẽ cấp các cơ hội thăm dò đơn hướng (unicast) cho các MS để yêu cầu băng thông. Các cơ hội thăm dò đơn hướng thường đủ để chắc chắn rằng độ trễ yêu cầu của các dịch vụ thời gian thực được đáp ứng. Dịch vụ này đòi hỏi nhiều thông tin phụ hơn UGS nhưng nó hiệu quả hơn cho các dịch vụ tạo ra các gói dữ liệu có kích thước thay đổi [12].
3.5.3 Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực (nrtPS)
Dịch vụ này được thiết kế để hỗ trợ các dòng dữ liệu chấp nhận có trễ như dịch vụ truyền file FTP tốc độ cao, yêu cầu dữ liệu có kích thước biến đổi ở tốc độ bảo đảm nhỏ nhất. Các tham số bắt buộc của luồng dịch vụ này là tốc độ luồng dành riêng nhỏ nhất, tốc độ tối đa được duy trì, thứ tự ưu tiên của luồng, chính sách yêu cầu/truyền, sự thăm dò cho dịch vụ này là được phép. Trong nrtPS, nó được cho phép có các cơ hội thăm dò đơn hướng.
3.5.4 Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng (ertPS)
Dịch vụ này được sử dụng cho các lưu lượng thời gian thực VoIP, VAD nó có những khoảng hoạt động và khoảng lặng (có triệt khoảng lặng), có tốc độ dữ liệu thay đổi nhưng yêu cầu đảm bảo tốc độ và độ trễ của dữ liệu. Đây là dịch vụ mới được đưa vào trong chuẩn 802.16e-2005, được xây dựng trên những hiệu quả của UGS và rtPS.
3.5.5 Dịch vụ nỗ lực tối đa (BE)
Được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu mà không có mức dịch vụ tối thiểu được yêu cầu và do đó có thể được xử lý ở một băng thông cơ sở sẵn có. Các dòng BE được phép sử dụng các cơ hội (opportunity) yêu cầu tranh chấp. Các ứng dụng trong nhóm này được nhận phần băng thông còn lại sau khi đã được phân bổ cho tất cả các dịch vụ khác [15]. Các dịch vụ BE không đảm bảo QoS, như duyệt Web, HTTP, SMTP hay Email.
Tất cả cơ chế yêu cầu băng thông là cho phép với BE, nhưng giải quyết tranh chấp là cơ chế thường sử dụng nhiều nhất.
3.6 Kiến trúc QoS trong giao thức MAC 802.16
Ta xem xét vấn đề lập lịch gói tin đường lên, hình 3.7a mô tả kiến trúc chất lượng dịch vụ đường lên chuẩn 802.16, trong đó những phần nét đứt là những phần mà 802.16 chưa định nghĩa.
Hình 3.7a: Kiến trúc chất lượng dịch vụ 802.16 [12]
Chuẩn 802.16 chưa định nghĩa: Lập lịch đường lên cho luồng dịch vụ rtPS, nrtPS, BE, và cơ chế kiểm soát cho phép. Cơ chế kiểm soát cho phép là cần thiết để chấp nhận hay không chấp nhận việc tạo mới luồng dịch vụ hay thay đổi tham số chất lượng dịch vụ của một luồng dịch vụ.
Hình 3.7a, mô tả kiến trúc QoS của WiMAX định nghĩa bởi 802.16, chưa định nghĩa chi tiết lập lịch băng thông UL và DL và kiểm soát đăng nhập. Hình 3.7b, kiến trúc chi tiết QoS 802.16 được đề xuất bởi một nhóm các nhà nghiên cứu.
Hình 3.7b: Kiến trúc chi tiết chuẩn QoS 802.16 [2]
WiMAX có 3 bộ lập lịch, 2 bộ lập lịch ở phía BS: bộ lập lịch DL và bộ lập lịch UL, cùng với 1 bộ lập lịch phía MS. Quá trình hoạt động của các bộ lập lịch được diễn ra như sau:
Với bộ lập lịch DL ở BS: Với đường DL thì BS biết được các kết nối, các luồng dịch vụ được lập lịch, đi kèm đó là các tham số QoS. BS luôn lắng nghe, thăm dò các phản hồi về CINR từ MS. Bộ lập lịch DL ở BS nắm quyền quyết định cấp phát băng thông DL.
Với bộ lập lịch UL ở BS: Với đường UL, ban đầu bên phía MS sẽ đưa ra các yêu cầu cấp phát băng thông cùng các thông số QoS đường UL tới BS. Các yêu cầu này được bộ lập lịch UL phía BS tiếp nhận, sau đó bộ lập lịch UL phía BS sẽ thực hiện phân loại các luồng dịch vụ, các CID riêng, kết hợp cùng các tham số QoS rồi quyết định hàng đợi nào được phục vụ và gửi lại thông tin cấp phát băng thông UL về cho MS thông qua bản tin UL-MAP. Các MS sau khi nhận được thông tin về cấp phát băng thông UL sẽ tiến hành truyền tải các UL PDU.
Một khi bộ lập lịch UL-BS đáp ứng băng thông cho MS, bộ lập lịch MS sẽ quyết định những hàng đợi nào nên sử dụng cho sự cấp phát. Bộ lập lịch MS cần có một cơ chế để cấp phát băng thông một cách hiệu quả. Để quyết định hàng đợi nào được phục vụ và bao nhiêu dữ liệu được phép truyền, nhiều kỹ thuật lập lịch được đưa ra, sau đây là một số thuật toán lập lịch thường được sử dụng trong WiMAX.
3.7Các thuật toán phổ biến cho lập lịch lớp MAC trong chuẩn 802.16
Phần này học viên đi nghiên cứu một số thuật toán lập lịch phổ biến, và có thể áp dụng lập lịch cho WiMAX, trong đó học viên đi phân tích chi tiết hơn cho hai thuật toán RR và DRR để áp dụng cho phần nghiên cứu chính của luận văn này.
3.7.1 Thuật toán Round Robin (RR)
RR là một trong những thuật toán lập lịch cơ bản và đơn giản nhất. Thuật toán RR cấp phát công bằng về băng thông tới tất cả các kết nối, có đảm bảo rằng tốc độ
của tất cả các kết nối bằng nhau. Tại một thời điểm, con trỏ hàng đợi sẽ dừng ở một hàng đợi và lấy một gói tin trong hàng đợi để truyền đi. Tại thời điểm tiếp theo, con trỏ hàng đợi sẽ trỏ tới hàng đợi kế tiếp và lấy một gói tin của hàng đợi kế tiếp đó ra để truyền đi. Quá trình diễn ra một cách tuần tự, con trỏ hàng đợi luân phiên trỏ tới từng hàng đợi một, đến khi tất cả các hàng đợi đều đã được phục vụ một lần thì con trỏ hàng đợi lại trỏ về hàng đợi đầu tiên và quá trình phục vụ các hàng đợi lại được liên tục quay vòng như vậy cho đến khi tất cả các hàng đợi đều rỗng.
Hình 3.8: Thuật toán lập lịch RR (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Giả sử ta có hai trường hợp, trường hợp thứ nhất là các hàng đợt từ Q1 – Q5 có kích thước gói không đổi là 50byte, và trường hợp thứ 2 như hình 3.8, các hàng đợi từ Q2 - Q5 có kích thước gói không đổi là 50byte và Q1 có một gói kích thước 100byte. Vậy Q1 có thông lượng vượt trội hơn, Với trường hợp 1, Q1 đã truyền được 3x50 =150 byte trong khoảng thời gian X. Bây giờ, với trường hợp 2, Q1 truyền được là 2x100 =200 byte trong mỗi khoảng thời gian X. Do đó, chúng ta có thể kết luận là thuật toán RR không công bằng khi độ dài gói tin biến thiên[22].
Ưu điểm của thuật toán này là rất đơn giản do nó xử lý nhanh, dễ dàng triển khai và tốn ít dung lượng hệ thống. Tuy nhiên, nhược điểm của thuật toán này là gây lãng phí thời gian nếu như gặp phải những hàng đợi rỗng, thuật toán RR vẫn sẽ dừng lại và chờ phục vụ tại một hàng đợi ngay cả khi hàng đợi đó đã rỗng, tức là không còn gói tin để phục vụ. Với hàng đợi có độ dài gói tin lớn sẽ chiếm lợi thế băng thông, các hàng đợi khác sẽ phải chờ trong thời gian dài hơn.
Output
Time (s) Packets
Inputs
3.7.2 First-In-First-Out (FIFO)
FIFO là thuật toán lập lịch cơ bản và đơn giản nhất, các gói dữ liệu đến từ tất cả