Nhiệm vụ cơ bản của lớp MAC là cung cấp một giao diện giữa lớp vật lý và cỏc lớp truyền tải cao hơn. Lớp MAC mang cỏc gúi tin từ cỏc lớp cao, cỏc gúi tin
được gọi là đơn vị dữ liệu dịch vụ (SDU) và tổ chức chỳng vào đơn vị dữ liệu giao thức MAC (PDU) để truyền qua khụng gian. éối với phớa thu, để nhận được dữ liệu
truyền lớp MAC thực hiện ngược lại.
Trong IEEE 802.16 lớp MAC được chia thành 3 lớp con: Lớp con hội tụ dịch vụ chuyờn biệt (MAC CS), lớp con phần chung (MAC CPS) và lớp con bảo mật. Ba lớp con này tương tỏc với nhau thụng qua điểm truy cập dịch vụ SAP (Service Access Point) (Hỡnh 1.6).
Lớp con hội tụ chuyờn biệt về dịch vụ (CS) cung cấp bất cứ việc chuyển đổi hoặc ỏnh xạ từ cỏc mạng mở rộng khỏc như ATM, Ethernet, thụng qua điểm truy nhập dịch vụ SAP. Chớnh xỏc hơn, lớp này làm nhiệm vụ chuyển đổi cỏc gúi tin từ
cỏc định dạng của mạng khỏc thành cỏc gúi tin định dạng theo 802.16 và chuyển xuống cho lớp CPS. Cũng tại đõy sẽ diễn ra sự phõn lớp dịch vụ của cỏc mạng ngoài
để ỏnh xạ vào một dịch vụ thớch hợp trong 802.16.
Lớp con phần chung ( MAC CPS) là độc lập của cơ chế truyền tải, là lớp trung tõm cung cấp cỏc chức năng chớnh của lớp MAC, đú là chức năng như quản lý kết nối, phõn phối băng thụng, yờu cầu và cấp phỏt, thủ tục truy nhập hệ thống, lập lịch,
điều khiển kết nối và ARQ. Truyền thụng giữa CS và CPS được cỏc điểm truy nhập dịch vụ MAC (MAC SAP) duy trỡ. Thiết lập, thay đổi, xúa kết nối và truyền tải dữ
liệu trờn cỏc kờnh là bốn chức năng cơ bản trong quỏ trỡnh truyền thụng tại lớp này
Lớp con bảo mật (MAC CPS) cung cấp tớnh năng nhận thực, trao đổi khúa bảo mật, và mật mó húa dữ liệu. Lớp này thực hiện việc mó húa dữ liệu trước khi truyền
đi và giải mó dữ liệu nhận được từ lớp vật lý.
1.4.1. Hỗ trợ lớp vật lý MAC
Sự khỏc biệt cơ bản của giao thức lớp MAC là cỏc kỹ thuật song cụng của
đường lờn và đường xuống. Sự lựa chọn giữa hai cụng nghệ song cụng này cú những ảnh hưởng nhất định đến tham số lớp PHY cũng như tỏc động đến cỏc đặc tả
hỗ trợ của MAC. Lớp MAC trong IEEE 802.16d hỗ trợ một cấu trỳc khung với hai chếđộ truyền song cụng TDD và FDD.
1.4.1.1. Chếđộ TDD
Cấu trỳc khung TDD được minh họa trong hỡnh 1.7. Truyền đường lờn và
đường xuống xảy ra ở cỏc thời điểm khỏc nhau và thường chia sẻ cựng tần số. Một khung TDD cú chu kỳ cốđịnh và chứa một khung con đường xuống và một khung con đường lờn được phõn cỏch nhau bởi khoảng trống. Khung được chia thành một số nguyờn cỏc khe thời gian vật lý, giỳp cho phõn chia dải thụng dễ dàng.
TTG (Transmit/Receive Transition Gap) là khoảng trống phõn cỏch dữ liệu giữa khung con đường xuống và khung con đường lờn. Độ dài cho phộp của khung là: 2,5; 4; 5; 8; 10; 12,5 và 20ms.
- Khung con đường xuống (DL Subframe)
Hỡnh 1.8. Cấu trỳc khung con đường xuống TDD
Khung con đường xuống là một đơn vị giao thức dữ liệu lớp vật lý (PHY PDU) đường xuống. Nú bao gồm mào đầu (preamble) dựng cho đồng bộ khung, một header điều khiển khung (FCH- Frame control header), và một hoặc nhiều burst dữ liệu đường xuống. Mỗi burst dữ liệu đường xuống bao gồm một hoặc nhiều MAC PDUs và cú độ dài bằng một số nguyờn lần độ dài của symbol OFDM. Cấu trỳc một khung con đường xuống được mụ tả trong hỡnh 1.8.
- Khung con đường lờn (Uplink Subframe)
Khung con đường lờn bao gồm một hoặc nhiều PHY PDU của cỏc SS khỏc nhau. Mỗi PHY PDU cú một mào đầu và một burst dữ liệu. Cũng như ở đường xuống, mỗi burst dữ liệu bao gồm một hoặc nhiều MAC PDU, cú độ dài bằng một số nguyờn lần độ dài của symbol OFDM. Cấu trỳc một khung con đường lờn được mụ tả trong hỡnh 1.9.
RTG (Receive/Transmit Transition Gap) là khoảng trống phõn cỏch dữ liệu
Hỡnh 1.9. Cấu trỳc khung con đường lờn TDD
1.4.1.2. Chếđộ FDD
Cỏc kờnh đường lờn và đường xuống được đặt ở cỏc tần số tỏch biệt và dữ liệu
đường xuống cú thể được truyền theo trong cỏc burst. Một khung chu kỳ cố định
được sử dụng cho cỏc truyền dẫn đường lờn và đường xuống. Điều này thuận tiện cho sử dụng cỏc loại điều chế khỏc nhau, và cũng cho phộp đồng thời sử dụng cả (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
cỏc SS song cụng và cỏc SS bỏn song cụng. Nếu cỏc SS bỏn song cụng được sử
dụng, trỡnh điều khiển dải thụng sẽ khụng chỉ định dải thụng cho một SS bỏn song cụng ở cựng thời điểm mà nú được trụng mong để nhận dữ liệu ở kờnh đường xuống, bao gồm hạn định cho phộp trễ truyền, khoảng hở truyền dẫn giữa cỏc trạm thuờ bao thu / phỏt SSRTG( Subscriber Station Receive / Transmit Transition Gap), và khoảng hở truyền dẫn giữa cỏc trạm thuờ bao phỏt / thu SSTTG (Subscriber Station Transmit / Receive Transition Gap). Cấu trỳc khung FDD được mụ tả trong hỡnh 1.10.
Đối với cỏc vấn đề nhiễu, TDD yờu cầu sự đồng bộ húa hệ thống diện rộng. Tuy nhiờn, TDD được thường ưu tiờn ở chếđộ song cụng vỡ những lý do sau:
•TDD cho phộp điều chỉnh tỷ lệ DL/UL để hỗ trợ hiệu quả lưu lượng bất đối xứng giữa đường lờn và đường xuống, trong khi với FDD, đường lờn và đường xuống luụn được giữ cố định, và thụng thường băng thụng đường lờn và đường
xuống bằng nhau.
Hỡnh 1.10. Cấu trỳc khung FDD
•TDD bảo đảm sự trao đổi kờnh nhằm hỗ trợ tốt hơn cho cỏc kết nối thớch nghi, MIMO và cỏc cụng nghệ anten nõng cao khỏc.
•Khụng giống như FDD yờu cầu một cặp kờnh, TDD chỉ yờu cầu một kờnh duy nhất cho cảđường lờn và đường xuống, đem lại sự thớch ứng linh động hơn cho việc cấp phỏt phổ tần số khỏc nhau.
•Bộ thu phỏt được thiết kế cho việc thực hiện TDD cũng đơn giản hơn và do vậy đỡ tốn kộm hơn.
1.4.2. Cơ chế truy nhập kờnh truyền
Trong WiMAX, lớp MAC tại BS chịu hoàn toàn trỏch nhiệm về cấp phỏt băng thụng cho tất cả người dựng trong cả đường xuống và đường lờn. Thời điểm duy nhất SS cú vài kiểm soỏt toàn bộ băng thụng cấp phỏt là khi nú cú nhiều phiờn hay nhiều kết nối với BS. Trong trường hợp này BS cấp phỏt băng thụng đến SS trong một bộ kết tập (aggregate), và phõn phối đến SS giữa nhiều kết nối. Đối với đường xuống, BS cú thể cấp phỏt băng thụng cho mỗi SS dựa trờn nhu cầu của lưu lượng
đến chứ khụng cú sự liờn quan nào với SS. Đối đường lờn việc cấp phỏt phảI dựa trờn cỏc yờu cầu từ SS.
Chuẩn WiMAX hỗ trợ một số cơ chế mà mỗi SS cú thể yờu cầu và nhận được băng thụng đường lờn. Tựy thuộc vào từng loại QoS riờng biệt và cỏc thụng số lưu lượng kết hợp với mỗi lớp dịch vụ, một hay nhiều cơ chế này cú thểđược sử dụng bởi SS. BS cấp phỏt riờng hay chia sẻ tài nguyờn định kỳđến mỗi SS mà nú sử dụng
để yờu cầu băng thụng, quỏ trỡnh này được gọi là thăm dũ (polling). Thăm dũ cú thể được thực hiện riờng (unicast) hay theo nhúm (multicast). Thăm dũ multicast được thực hiện khi thiếu băng thụng để thăm dũ trờn mỗi SS riờng. Khi thăm dũ được thực hiện trong multicast, khe thời gian cấp phỏt để thực hiện yờu cầu băng thụng là khe dựng chung trong đú mọi SS thăm dũ đều cố gắng để sử dụng.
WiMAX định nghĩa một cơ chế truy nhập và giải quyết tranh chấp cho trường hợp khi nhiều hơn một SS cố gắng sử dụng chung khe. Nếu nú đó cú một cấp phỏt cho lưu lượng gửi đi, SS khụng bị thăm dũ. Thay vào đú, nú được phộp yờu cầu thờm băng thụng bởi: (1) phỏt đơn vị dữ liệu giao thức MAC (MAC PDU) yờu cầu băng thụng độc lập, (2) gửi một yờu cầu băng thụng sử dụng định vị kờnh, hay (3) yờu cầu băng thụng kốm thờm trong cỏc gúi MAC tổng quỏt.
1.4.3. Cỏc lớp dịch vụ QoS
Hỗ trợ QoS là một phần cơ bản của thiết kế lớp MAC trong WiMAX. Điều khiển QoS năng động được thực hiện bằng cỏch sử dụng kiến trỳc MAC hướng kết nối, ở đú cỏc đường lờn và đường xuống được điều khiển bởi BS phục vụ. Trước khi truyền dữ liệu xảy ra, BS và SS thiết lập một liờn kết logic theo một hướng xỏc
định giữa hai lớp MAC ngang hàng, gọi là một kết nối. Mỗi kết nối được xỏc định bởi một nhận dạng kết nối (CID) phục vụ như một địa chỉ tạm thời cho cỏc dữ liệu
được truyền đi qua một liờn kết cụ thể.
WiMAX cũng định nghĩa một khỏi niệm về luồng dịch vụ. Luồng dịch vụ là một luồng đơn hướng của cỏc gúi tin với một bộ cỏc tham số QoS riờng biệt và
được xỏc định bởi một giỏ trị nhận dạng luồng dịch vụ SFID (Service Flow Identifier) 32 bit. Cỏc thụng số QoS cú thể bao gồm: lưu lượng ưu tiờn, tốc độ lưu
lượng duy trỡ tối đa, tốc độ cực đại bú dữ liệu, tốc độ tối thiểu cho phộp, kiểu lập lịch, kiểu ARQ, độ trễ cực đại, biến động trễ cho phộp, kiểu đơn vị dữ liệu và kớch cỡ dịch vụ, cơ chế yờu cầu băng thụng để sử dụng, quy tắc cấu tạo PDU truyền đi…
Luồng dịch vụ cú thể được cung cấp thụng qua hệ thống quản lý mạng hoặc tạo ra linh động thụng qua cỏc cơ chế bỏo hiệu được xỏc định trong chuẩn. Trạm BS chịu trỏch nhiệm cho cỏc vấn đề SFID và ỏnh xạ nú đến một CID duy nhất.
Để hỗ trợ nhiều loại ứng dụng, WiMAX định nghĩa bốn lớp dịch vụ lập lịch
được hỗ trợ bởi bộ lập lịch MAC trạm BS cho việc truyền tải dữ liệu qua một kết nối. Bốn lớp dịch vụđú là:
•UGS (Unsolicited Grant Service): Được thiết kế để hỗ trợ dịch vụ Constant Bit Rate (CBR), là loại dịch vụđược sử dụng bởi cỏc kết nối yờu cầu băng thụng cố định và khả dụng liờn tục trong thời gian kết nối. Dịch vụ CBR thường được dựng cho cỏc ứng dụng thời gian thực yờu cầu nghiờm ngặt về độ trễ và suy hao. Vớ dụ
cỏc kết nối T1/E1, ứng dụng VoIP.
•rtPS (Real-time Polling Service): Được thiết kế để hỗ trợ cỏc luồng dữ liệu thời gian thực trờn cỏc kết nối yờu cầu nghiờm ngặt về độ trễ nhưng lại khụng yờu cầu băng thụng cốđịnh, kớch thước gúi biến đổi. Vớ dụ: cỏc luồng audio/video…
•nrtPS (Non-Real-time Polling Service): Được thiết kếđể hỗ trợ cỏc luồng dữ
liệu khụng đũi hỏi thời gian thực và độ trễ, với kớch thước gúi biến đổi và tốc độ dữ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
liệu tối thiểu đảm bảo. Vớ dụ: giao thức truyền tải file FTP, cỏc dịch vụ ATM GFR (ATM Guaranted Frame Rate)…
•BE (Best Effort): Được thiết kế để hỗ trợ cỏc luồng dữ liệu thụng thường khụng đũi hỏi thời gian thực cũng nhưđộ trễ. Vớ dụ: dịch vụ duyệt Web, email.
Mỗi một đơn vị lập lịch dịch vụ là một tập cỏc quy tắc được ỏp đặt trờn bộ lập lịch của trạm BS. Mỗi một kết nối tương ứng với một dịch vụ dữ liệu riờng, đi kốm với cỏc tham số QoS tương ứng và được thương lượng tại thời điểm thiết lập kết nối.
1.4.4. Kiến trỳc lập lịch
Lớp MAC trong WiMAX định nghĩa cỏc cơ chế bỏo hiệu chất lượng dịch vụ
việc truyền thụng tương đối đơn giản vỡ BS là thành phần duy nhất truyền trong cỏc khung con đường xuống, cỏc gúi tin được quảng bỏ tới mọi SS dựa trờn cơ chế ghộp kờnh phõn chia theo thời gian (TDM) và cỏc SS chỉ nhận cỏc gúi tin cú địa chỉ đớch là nú. Trong khi đú đường lờn được chia sẻ bởi nhiều SS dựa trờn cơ chế đa truy nhập phõn chia theo thời gian (TDMA), ở đú băng thụng được chia thành cỏc khe thời gian và mỗi một khe thời gian được chỉ định cho một trạm SS riờng lẻ đang
được BS phục vụ.
Bộ lập lịch BS chịu trỏch nhiệm toàn bộđiều khiển truy nhập cho cỏc thuờ bao
ởđường xuống hay đường lờn, bởi vỡ tại SS cú nhiều kết nối khỏc nhau nờn bộ lập lịch đường lờn được yờu cầu trong mỗi SS (hỡnh 1.11). Để chỉ rừ việc ấn định khoảng cỏch truyền đường lờn và đường xuống trong mỗi khung, BS phỏt bản tin quản lý lớp MAC Downlink Map (DL-Map) và Uplink map (UL-MAP) tương ứng cho cỏc khung con đường xuống và khung con đường lờn. Cỏc bản tin này được phỏt tại lỳc bắt đầu của mỗi khung con đường xuống. UL-MAP chứa đựng cỏc phần tử thụng tin, cỏc phần tử thụng tin chứa cỏc cơ hội truyền, nghĩa là cỏc khe thời gian mà SS cú thể truyền trong khung con đường lờn. Sau khi nhận được bản tin quản lý UL-MAP, mỗi SS sẽ truyền dữ liệu trong cỏc khe thời gian đó định nghĩa trong cỏc phần tử thụng tin. Mụ đun lập lịch đường lờn tại BS xỏc định cỏc phần tử thụng tin dựa trờn yờu cầu băng thụng mà SS gửi tới.
1.4.5. Phõn tập đa người dựng
Phõn tập đa người dựng được đưa vào để đối phú kờnh fading biến đổi theo thời gian trong hệ thống đa người dựng [24]. Trong WiMAX, bởi vỡ nhiều người dựng với điều kiện kờnh khỏc nhau và biến đổi theo thời gian nờn xỏc suất cao mà một hoặc vài người dựng cú đường liờn kết tốt với BS trong khi một số người dựng khỏc cú đường liờn kết xấu. Bằng cỏch thớch nghi với điều kiện kờnh, thụng lượng của hệ thống cú thể tăng lờn thụng qua cơ hội lập lịch. Điều này cú liờn quan đến mó húa và điều chế thớch nghi, mà hệ thống cú thể phục vụ một số lượng lớn người dựng phõn bố ngẫu nhiờn với kờnh fading độc lập. Trong trường hợp này, thụng lượng tối đa hệ thống cú thểđạt cực đại bằng cỏch phục vụ cỏc người dựng với điều kiện kờnh tốt nhất khi truyền. Cấu trỳc bộ lập lịch đường xuống được mụ tả như
trờn hỡnh 1.12.
Hỡnh 1.12. Cấu trỳc bộ lập lịch gúi đường xuống
Mặc dự thuật toỏn đề xuất được trỡnh bày dành cho lập lịch đường xuống, song ý tưởng này cú thể mở rộng để truyền dữ liệu cho đường lờn.
Kết luận chương: Những nội dung trỡnh bày ở chương 1 đó cho chỳng ta một cỏi nhỡn tổng quỏt vềđặc tớnh lớp MAC và PHY trong chuẩn IEEE 802.16, qua đú chỳng ta sẽ dễ dàng hơn trong việc nghiờn cứu quản lý tài nguyờn trong mạng băng rộng khụng dõy, đặc biệt nghiờn cứu cỏc thuật toỏn lập lịch. Tầm quan trọng của thuật toỏn lập lịch cho mạng băng rộng khụng dõy và chi tiết một số thuật toỏn lập lịch tiờu biểu được trỡnh bày trong chương sau.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ THUẬT TOÁN LẬP LỊCH
Thuật toỏn lập lịch đúng vai trũ quan trọng đối với hiệu năng tổng thể của hệ
thống mạng băng rộng khụng dõy trong việc đảm bảo chất lượng dịch vụ. Mặc dự cú nhiều thuật toỏn lập lịch đó được đề xuất cho mạng WiMAX nhưng việc thiết kế
cỏc thuật toỏn này là một thỏch thức như sự hỗ trợ cho cỏc mức dịch vụ khỏc nhau, sự cụng bằng, thụng lượng hệ thống cũng nhưđộ phức tạp trong thực hiện. Chương này sẽ trỡnh bày chi tiết một số thuật toỏn lập lịch và tầm quan trọng của nú đối với mạng băng rộng khụng dõy.
2.1. Thuật toỏn lập lịch và yờu cầu
Lập lịch là một khỏi niệm quan trọng trong hệ thống mỏy tớnh đa nhiệm và trong thiết kế hệ điều hành đa xử lý, và thiết kế hệ thống hoạt động trong thời gian thực [26]. Nú đề cập đến cỏch thức mà trong đú cỏc quỏ trỡnh được ấn định cỏc ưu tiờn trong hàng đợi. Sự ấn định này được thực hiện bởi phần mềm được gọi là bộ