Trong chuẩn IEEE 802.16, quy định có 5 queue tương ứng với 5 dịch vụ khác nhau với thứ tự ưu tiên UGS > rtPS > ertPS > nrtPS > BE. Tuy nhiên, module WiMAX được sử dụng trong mô phỏng chỉ hỗ trợ lập lịch đối với dịch vụ UGS và BE. Thuật toán lập lịch mặc định được sử dụng là thuật toán Round Robin. Thực chất, thuật toán Round Robin là kỹ thuật xử lý hàng đợi gói dữ liệu theo kiểu quay vòng cơ bản. Các queue dịch vụ lần lượt được truyền gói tin theo thứ tự ưu tiên, khi đến lượt truyền của queue nào thì gói tin trong queue đó sẽ được truyền đi. Trong mỗi queue, thuật toán RR được áp dụng cho tất cả các gói tin tiếp theo của mỗi luồng dịch vụ trong queue đó. Tuy nhiên, các gói tin của queue khác nhau sẽ được truyền đi với băng thông khác nhau vì độ ưu tiên của các queue là không giống nhau.Trong quá trình phân bổ băng thông, do các UL burst luôn thay đổi, tất cả các yêu cầu về băng thông sẽ được tính theo số byte cần để mang PDU của MAC bao gồm cả PHY overhead. Thông báo về băng thông yêu cầu có thể được truyềntrong quá trình phân bổ đường uplink, trừ khoảng thời gian khởi tạo. Dịch vụ UGS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dịch vụ uplink theo thời gian thực với các gói tin có kích thước cố định, do đó băng thông được gán là dựa vào số kết nối. Với các dịch vụ còn lại, kích thước gói tin là thay đổi, do đó phương pháp gán theo packet được sử dụng để tính băng thông riêng cho từng gói tin. Queue BE có mức độ ưu tiên thấp nhất so với các queue khác.Trong khi đó, lưu lượng queue BE bị ảnh hưởng khi băng thông bị thiếu, sự xung đột các yêu cầu có thể gây ra tranh chấp và làm gia tăng sự chậm trễ trong quá trình truyền gói tin đối với SS. Ngoài ra, mỗi gói tin khi truyền trên mạng sẽ có một thời gian sống , khi thời gian sống = 0, gói tin đó sẽ bị hủy dẫn đến mất mát thông tin trên đường truyền. Bài toán đặt ra là làm thế nào để tránh bị mất gói tin trên đường truyền do quá hạn . Bên cạnh đó, theo kết quả mô phỏng phía trên, các gói tin CBR được truyền với thông lượng cao hơn và độ trễ nhỏ hơn gói tin FTP. Trong khi, hệ thống muốn đạt mục đích ưu tiên dịch vụ truyền file (tăng khả năng trao đổi tập tin), dịch vụ truyền file sẽ được truyền với băng thông cao hơn các dịch vụ khác.
Từ vấn đề nêu trên, tác giả đề xuất phương án sử dụng thuật toán “lập lịch hỗn hợp”, sử dụng hai thuật toán lập lịch là thuật toán EDF (Early Deadline First) và thuật toán WRR (Weighted Round Robin - lập lịch vòng tròn có trọng số). Với các queue UGS, rtPS, nrtPS, ertPS, thuật toán EDF được sử dụng để chọn gói tin gần tới hạn
63
nhấtđể ưu tiên truyền đi trước trong các queue, nhằm mục đích hạn chế việc bị mất gói tin (do quá hạn) trên đường truyền. Với queue BE, thuật toán WRR được dùng để chọn gói tin FTP được ưu tiên truyền trước các gói tin khác trong cùng queue. Phương án lập lịch dùng để lập lịch cho các gói tin theo chiều uplink, áp dụng cơ chế ưu tiên nghiêm ngặt đối với việc phân bổ băng thông sử dụng tới từng packet trong mỗi queue cụ thể.
Một số thông số:
- Flow_Number: tổng số các luồng chứa gói tin cần truyền - Flow_NumberUGS: số luồng của queue lớp dịch vụ UGS - Flow_NumberrtPS: số luồng của queue lớp dịch vụ rtPS - Flow_NumberertPS: số luồng của queue lớp dịch vụ ertPS - Flow_NumbernrtPS: số luồng của queue lớp dịch vụ nrtPS - Flow_NumberBE: số luồng của queue lớp dịch vụ BE - Tk: biến lưu trữ thời gian hết hạn của gói tin k
- Capa: khả năng của kênh uplink (TDD frame vẫn còn slot trống dành để chứa tin truyền)
- BWi: băng thông được phân bổ cho kết nối i.
- Check (i): thủ tục kiểm tra xem kết nối i thuộc lớp dịch vụ nào - Deadline (i): thủ tục lấy thời gian hết hạn của kết nối i
- Enqueue (k): thêm gói tin k vào hàng đợi
- Pdu (i): kiểm tra luồng i là luồng của dịch vụ nào - MinT: hàm lấy gói tin có thời hạn gần nhất
- Size (minT): thủ tục lấy kích thước của gói tin có thời hạn gần nhất - Weight (i, ftp): thủ tục để tính trọng số cho các gói tin ftp
- Weight (i, other): thủ tục để tính trọng số cho các gói tin khác (ngoài ftp) - CreatIE (): thủ tục tạo một IE (information element) cho từng SS (chứa các
thông tin của gói tin cần truyền như nguồn, đích, độ dài, thời gian sống, thứ tự được truyền,…)
Giả mã:
//Thêm gói tin đến vào hàng đợi If packet k of connection i is arrival
64
// Lấy thời hạn của gói tin k nằm trong một trong bốn queue UGS, rtPS, nrtPS, ertPS
If check (i) == (Flow_NumberUGS or Flow_Number rtPS or Flow_Number nrtPS or Flow_NumberertPS)
Ti = deadline(i) Enqueue (k) Else
// Tính trọng số weight tương ứng để gán cho luồng i của queue BE If pdu(i) == ftp
W(i) = Weight(i, ftp) Enqueue (k)
Else
W(i) = Weight(i, other) enqueue (k)
End if End if
//Nếu không có gói tin nào cần truyền, chương trình quay lại bước 1 If Flow_Number = = null
return
//Áp dụng thuật toán EDF với các luồng trong các queue: UGS, rtPS, nrtPS, ertPS While (Capa > 0 and (queue (Flow_NumberUGS ) or queue (Flow_NumberrtPS ) or queue (Flow_NumbernrtPS ) or queue (Flow_NumberertPS )) != NULL)
For i in 1…Flow_NumberUGS, Flow_NumberrtPS, Flow_NumbernrtPS, Flow_NumberertPS
BWi = BWi + size (minT)
CreatIE (i) //Tạo IE (Information Element) của từng kết nối và gán vào bản tin UL-MAP
Capa = Capa – size (minT) End for
End while
65
While (Capa > 0 and queue (Flow_NumberBE ) != NULL) // The uplink channel capacity and queue BE is not empty
For i in 1…Flow_NumberBE BWi = BWi + Wi * Capa
CreatIE (i) //Tạo IE (Information Element) của từng kết nối và gán vào bản tin UL-MAP
Capa = Capa – Wi *Capa End for
End while
Giải thích giả mã:
- Bước 1: Khi một gói tin k của luồng i cần được truyền, chương trình sẽ xác định xem luồng i thuộc queue nào. Nếu luồng i thuộc một trong bốn queue UGS, rtPS, ertPS, nrtPS thì thời gian hết hạn của gói tin sẽ được lấy thông qua thủ tục deadline () và gán vào một biến T. Nếu gói tin thuộc queue BE, nó sẽ được kiểm tra tiếp để xác định trọng số được gán. Nếu đó là gói tin FTP thì trọng số của luồng i thông qua thủ tục weight (i, ftp), ngược lại, thủ tục weight (i, other) được gọi để gán trọng số cho gói tin. Sau khi kiểm tra xong, gói tin k được thêm vào đúng queue của nó qua thủ tục enqueue ().
- Bước 2: Duyệt kiểm tra tất cả các luồng, nếu các luồng đều rỗng tức là không có gói tin nào cần được truyền đi thì chương trình duyệt lại từ bước 1.
- Bước 3: Sử dụng thuật toán EDF, với các queue UGS, rtPS, ertPS, nrtPS, nếu ul-subframe vẫn có slot trống có thể chứa thêm packet, và ít nhất một trong các queue trên vẫn còn packet cần truyền, gói tin sẽ được truyền đi với băng thông bằng băng thông được phân chia theo từng SS, và khả năng sẵn sàng của kênh uplink bị giảm xuống.
Hình 3.7: Quá trình xử lý gói tin theo thuật toán EDF trong các queue UGS, rtPS, nrtPS, ertPS
66
- Bước 4: Sử dụng thuật toán WRR, duyệt queue BE, nếu ul-subframe vẫn còn slot trống và queue BE vẫn còn gói tin thì tiến hành tính băng thông bằng tích trọng số Wi với capacity của kênh thông tin SS, và gán thông tin về băng thông lên UL-MAP, khả năng sẵn sàng của kênh uplink bị giảm xuống.
Hình 3.8: Quá trình xử lý gói tin theo thuật toán WRR trong queue BE
Bài toán đặt ra là cần xây dựng một hệ thống mạng ưu tiên dịch vụ truyền file (FTP) và giúp hệ thống giảm thiểu việc bị mất gói tin trên đường truyền do hết hạn. Theo kết quả mô phỏng sử dụng thuật toán lập lịch RR trong queue BE, các gói tin FTP chỉ được truyền với băng thông rất thấp, với độ trễ cao. Thuật toán “lập lịch hỗn hợp” được đưa ra đã tạo độ ưu tiên của các gói tin FTP cao hơn của các gói tin trong các luồng khác trong queue BE. Gói tin FTP được đặt trọng số Weight cao hơn, được truyền với băng thông cao hơn và được truyền nhiều gói tin hơn so với các gói tin của dịch vụ khác. Trọng số Weight được gán ngay từ khi bắt đầu truyền tin và không cần tính lại nên sẽ không mất thêm thời gian để tính toán lại, và thuật toán cũng sẽ không quá phức tạp. Do mức độ ưu tiên của các lớp dịch vụ lần lượt là UGS > rtPS > nrtPS > ertPS, các gói tin thuộc các lớp dịch vụ có độ ưu tiên thấp rất dễ bị quá hạn mà vẫn chưa được truyền đi dẫn đến tình trạng mất gói tin, độ tin cậy của hệ thống mạng không cao. Với các queue UGS, rtPS, nrtPS, ertPS, tác giả đã sử dụng thuật toán EDF để tìm gói tin có thời gian hết hạn gần nhất để truyền gói tin. Do đó, hệ thống mạng giảm thiểu tình trạng gói tin bị hủy do hết hạn, và độ tin cậy của hệ thống được tăng cao hơn. Chắc chắn rằng, thuật toán “lập lịch hỗn hợp” đề xuất sẽ giúp hệ thống đạt được yêu cầu đặt ra và tối ưu hơn việc chỉ sử dụng thuật toán RR.
Thuật toán lập lịch WRR hỗ trợ việc phân bổ băng thông khác nhau cho các lớp dịch vụ, cho phép hàng đợi băng thông cao hơn gửi nhiều hơn một gói đơn mỗi khi nó được truy cập trong một vòng dịch vụ. Để điều chỉnh nguồn tài nguyên mạng cho mỗi lớp dịch vụ, tham số về độ trễ của gói tin và thông lượng của mỗi hàng đợi cũng được điều chỉnh. Tuy nhiên, hàng đợi WRR không hỗ trợ lập lịch phân bổ chính xác băng thông với các gói tin có chiều dài thay đổi. WRR chỉ có thể cung cấp chính xác tỷ lệ phần trăm băng thông cho mỗi lớp dịch vụ khi tất cả các gói dữ liệu trong tất cả các hàng đợi có cùng kích thước hoặc kích thước gói tin trung bình phải được biết trước.
67
KẾT LUẬN
Nhu cầu ngày càng tăng về các dịch vụ không dây như VoIP, Video streaming,… cũng như xu hướng tích hợp các dịch vụ điện thoại di động và mạng đã nảy sinh yêu cầu cần phải có một công nghệ không dây mới có khả năng cung cấp những đường truyền tốc độ cao, tin cậy và phạm vi phủ sóng rộng rãi. WiMAX là một trong những công nghệ không dây băng rộng quan trọng nhất và được dự đoán sẽ thay thế công nghệ băng rộng hữu tuyến truyền thống với chi phí hiệu quả.
Để hỗ trợ tốt các ứng dụng đa phương tiện, vấn đề đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS - Quality of Service) với các yêu cầu khác nhau trở thành một tính năng quan trọng, cần tập trung phát triển của mạng truy nhập băng rộng không dây nói chung và WiMAX nói riêng. Chuẩn IEEE 802.16 đã định nghĩa và phân loại thành 5 lớp dịch vụ là UGS, rtPS, ertPS, nrtPS và BE. Với mỗi lớp dịch vụ khác nhau có những yêu cầu về băng thông và chất lượng dịch vụ QoS khác nhau. WiMAX, dựa trên chuẩn IEEE 802.16, đã được thiết kế theo hướng kết nối, sử dụng điều khiển nạp nghiêm ngặt (strict admission control) và cơ chế lập lịch nhằm hỗ trợ QoS. Vì vậy, một cơ chế lập lịch hiệu quả có vai trò quan trọng đối với hệ thống WiMAX. Trong WiMAX, cơ chế lập lịch đã hỗ trợ QoS cho 5 lớp ứng dụng. Tuy nhiên, cơ chế lập lịch vẫn là vấn đề mở, chưa được tối ưu hóa để hỗ trợ giao thức TCP/IP, cũng như các ứng dụng đa phương tiện.
Việc nghiên cứu, xây dựng một thuật toán lập lịch hiệu quả sẽ giải quyết vấn đề tranh chấp băng thông, sử dụng hiệu quả tài nguyên vô tuyến, đáp ứng yêu cầu QoS của người dùng trong mạng WiMAX thực sự là vấn đề cấp thiết. Việc thực hiện tốt những nghiên cứu này sẽ mang lại hiệu quả rất to lớn về dung lượng cũng như hiện thực hoá khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao đáp ứng được yêu cầu QoS cho mạng truy nhập băng rộng không dây.
Trong nội dung luận văn này, tác giả đã trình bày một số đặc điểm công nghệ WiMAX đã được IEEE chuẩn hóa và tiến hành nghiên cứu một số kỹ thuật lập lịch cơ bản cũng như một số kỹ thuật lập lịch riêng biệt được đề xuất áp dụng cho WiMAX. Luận văn tập trung trình bày mô hình mô phỏng so sánh băng thông và độ trễ của luồng các gói tin FTP và CBR sử dụng thuật toán lập lịch quay vòng Round Robin, phân tích kết quả cho thấy sự ưu tiên của luồng các gói tin CBR cao hơn so với luồng các gói tin FTP. Nhiều luồng các gói tin FTP cùng truyền tin, xảy ra sự tranh chấp về băng thông và làm gia tăng độ trễ khi truyền gói tin. Luận văn đi vào phân tích và nghiên cứu cải tiến, bằng cách kết hợp thuật toán EDF với thuật toán Weight Round Robin để lập lịch với mục đích hạn chế việc bị mất gói tin trên đường truyền do quá hạn (bị hủy) trong các queue UGS, rtPS, nrtPS, ertPSvà đặt mức độưu tiên cho luồng các gói tin FTP (ưu tiên dịch vụ truyền file) hơn tất cả các luồng gói tin của các dịch vụ khác trongqueue BE FTP được truyền với băng thông cao hơn.
Tuy nhiên, thuật toán lập lịch WRR không hỗ trợ đối với các gói tin có kích thước thay đổi hoặc kích thước trung bình của các gói tin không được biết trước. Do
68
đó, kết quả tạo ra sẽ có sai số. Ngoài ra, luận văn vẫn chỉ đưa ra đề xuất cải tiếnđi kèm với giả mã mà chưa thực hiện kiểm nghiệm được trong thực tế. Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn dự kiến có thể đi theo hai hướng cụ thể như sau:
- Nghiên cứu cải tiến một thuật toán lập lịch theo hướng hỗ trợ kích thước của các gói tin thay đổi.
- Thực hiện viết chương trình code và thử nghiệm đề xuất cải tiến mà luận văn đã nêu ra phía trên.
69
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] IEEE, “IEEE Standard for Air Interface for Broadband Wireless Access Systems”,
IEEE Std 802.16™-2012.
[2]IEEE Standard for Local and metropolitan area networks, “Part 1 6: Air Interface
for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems, Amendment 2: Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile
Operation in Licensed Bands”, IEEE Std 802.16e™-2005 and
IEEE Std 802.16™-2004/Cor1-2005.
[3] Jeffrey G. Andrews, Arunabha Ghosh, Rias Muhamed, “Fundamentals of WiMAX -
Understanding Broadband Wireless Networking”,
[4] Professor Nguyen DinhThong, “802.16 MAC Layer Scheduling and its Effect on
TCP performance”,
[5] Teerawat Issariyakul and Ekram Hossain,Springer Science Business Media, LLC,
233 Spring Street, New York, NY 10013, USA,“Introduction to Network Simulator
NS2”
[6] Sadia Murawwat, Shen Ting-Zhi, Muhammad Iqbal, Tariq Aziz, Umer Farooq,“An
overview of scheduling strategies for PMP mode in IEEE 802.16”, 2012.
[7] Jia-Ming Liang, You-Chiun Wang, and Yu-Chee Tseng, “Scheduling Problems
and Solutions in WiMAX Networks”, 2011.
[8] Seungwoon Kim and Ikjun Yeom, Member, IEEE, “TCP-Aware Uplink Scheduling
for IEEE 802.16”, IEEE Communications Letters, vol.11, no. 2, February 2007.
[9] NS-2 Development Team (Contacts: Shyam Parekh,Alcatel-Lucent; Biplab Sikdar,
RPI), “TheWiMAX Forum System Level Simulator NS-2 MAC+PHY Add-On for
WiMAX (IEEE 802.16)”, WIMAX Forum, Release 2.6 (In Collaboration with NIST),
Version 2.6 (Beta), March 20, 2009.
[10] “The ns Manual (formerly ns Notes and Documentation)”, The VINT Project, A
Collaboration between researchers atUC Berkeley, LBL, USC/ISI, and Xerox PARC, November 4, 2011.
[11]SyedAhsonMohammadIlyas,WiMAX:Technologies,PerformanceAnalysis,andQoS,
Taylor&FrancisGroup,NewYork, 2008.
[12]Jani Lakkakorpi, Alexander Sayenko, and Jani Moilanen,Comparison of Different
Scheduling Algorithms forWiMAX Base Station, Proceedings of the 2008 IEEE
Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2008). Las Vegas, Nevada, USA. 31 March - 3 April 2008, pages 1991-1996.
70
[13]Najah Abu Ali, Pratik Dhrona, Hossam Hassanein,A performance study of
uplink scheduling algorithms in point-to-multipointWiMAX networks, Elsevier
B.V,2008.
[14]Qingwen Liu, Xin Wang, nd Georgios B. Giannakis, A Cross-Layer Scheduling
Algorithm With QoSSupport in Wireless Networks, IEEE Transactions on vehicular
technology, vol. 55, no. 3, 5/2006.
[15] Gandeva B Satrya, Ign. Wiseto P. Agung, Niken D W Cahyani,Performance
Analysis of Packet Scheduling With Qosin IEEE 802.16e Networks, 2012 7th
International Conference on Telecommunication Systems, Services, and Applications (TSSA).
[16]Carlos Valencia and Thomas Kunz,Scheduling Alternatives for Mobile
WiMAXEnd-to-end Simulations and Analysis, "IWCMC’10, June 28– July 2, 2010,
Caen, France.
[17]Akashdeep, Karanjeet S. Kahlon, Harish Kumar, Survey ofscheduling algorithmsin IEEE802.16 PMP networks,Egyptian Informatics Journal (2014) 15,
25 –36.
[18] Carlos G. Bilich, “TCP OVER WIMAX NETWORKS”, WIRELESS ACCESS NETWORKS PROJECT NUMBER II, Technical Report # DIT-06-061, June 16th , 2005
[19] Juniper Networks, “Supporting Differentiated Service Classes: Queue Scheduling