2.3.8.1. Định cỡ
- Mục đích của định cỡ: Định cỡ (Ranging) được thực hiện để loại bỏ việc phát lại không cần thiết, do vậy sử dụng băng tần hiệu quả và làm cho thời gian trễ cực đại nhỏ nhất nhờ việc ngăn các tín hiệu từ các ONU khỏi sự xung đột. Khi các khối mạng quang được nối tới một giao diện OLT trong hệ thống mạng quang thụ
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Công nghệ (GPON)
Xem trong Hình 2.21, thời gian truyền tín hiệu của mỗi ONU được điều chỉnh phù hợp với trễ khứ hồi (Round Trip Delay – RTD, đó là thời gian trễ cần thiết để một tiến trình chuyền đi qua giữa OLT và ONU) sao cho tín hiệu từ ONU tới ở các thời điểm khác nhau và không gây chồng lấn. TDMA ghép tín hiệu từ các ONU vào các khe thời gian.
Hình 2.21: Đa truy nhập phân chia theo thời gian trong GPON
- Cửa số định cỡ: Khoảng cách giữa OLT và ONU thường khác với ONU tới ONU. Nếu không xác định chính xác RTD thì không thể thiết lập được thời gian phát. Nếu chúng ta kết nối với một ONU, đầu tiên ta phải đo RTD. Với yêu cầu của hệ thống vận hành (OPS), hình 2.22 minh hoạ OLT tự động và đều đặn sử dụng cửa sổ định cỡ để đo trễ và xác định một ONU để phát tín hiệu trong phép đo trễ.
Chiều dài cửa sổ định cỡ được thiết lập theo khoảng cách giữa OLT và ONU. Nếu ONU được đặt cách OLT khoảng 5-10 km, chiều dài của cửa sổ định cỡ cần nhỏ nhất là (10-5km)x2/(300.000km/sec/1,5) = 50 msec. Trong đó, 1,5 là hệ số khúc xạ của sợi quang.
Sau khi đo RTD, thời gian phát của ONU phải được điều chỉnh. Đó là khoảng thời gian (thời gian bảo vệ) giữa các tín hiệu do ONU nào đó và các ONU khác phát. Thời gian bảo vệ phải đủ lớn để các tín hiệu từ các ONU khác nhau không xung đột. Khoảng thời gian bảo vệ này được gọi là burst overhead (BOH). Khi BOH tăng lên, nó làm giảm hiệu suất và mặt khác khi nó được rút ngắn, chi phí thiết bị tăng lên. Các ảnh hưởng tới kích thước của BOH: Lỗi trong phép đo RTD; Thay đổi RTD, sự biến đổi trong RTD là khoảng 36ps/km/8C; Thời gian ON/OFF của laser. Thời gian để nguồn phát ổn định (laser on time) khi laser ONU được chuyển sang ON và thời gian nguồn quang giảm đi một mức (không ảnh hưởng tới việc nhận tín hiệu ONU tiếp theo) khi laser chuyển sang OFF (laser off time) phải khả dụng.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Công nghệ (GPON)
Hình 2.22: Cửa sổ định cỡ
Máy thu thiết lập thời gian: Chúng ta phải đưa vào thời gian chuẩn để tách dữ liệu và xung đồng hồ từ tín hiệu OLT nhận được. Nó gồm thời gian yêu cầu để chỉnh mức nhận như thiết lập thời gian điều khiển độ tăng ích tự động, thời gian đồng bộ bit tín hiệu nhận và thời gian đồng bộ mã.
- Thủ tục định cỡ: Có hai cách xác định ONU cho quá trình định cỡ là phương pháp xác định duy nhất ONU đã đăng ký và phương pháp xác định tất cả các ONU chưa đăng ký. Trong phương pháp thứ nhất, một ONU với số ID riêng được xác định trong hệ thống vận hành. Trong phương pháp thứ hai OLT không biết số ID riêng của mỗi ONU, khi đó sẽ có vài ONU có thể truyền tín hiệu cho quá trình đo trễ diễn ra liên tục. Một biện pháp giảm xung đột trong quá trình định cỡ là truyền tín hiệu cho quá trình đo trễ với một khoảng thời gian chờ ngẫu nhiên, gần giống như phương pháp được sử dụng trong Ethernet (CSMA/CD). Thậm chí nếu có xảy ra xung đột ngay bước đầu thì vẫn có thể tiến hành đo trễ bằng cách lặp lại quá trình truyền dẫn hai hay ba lần. Vì dữ liệu thuê bao không được truyền trước khi quá trình định cỡ kết thúc nên sẽ không làm tăng trễ truyền dẫn dữ liệu. Ngoài ra thời gian chờ ngẫu nhiên được sử dụng để chống xung đột không được bao gồm trong phép đo trễ khứ hồi RTD.
Thủ tục định cỡ của GPON được chia thành 2 pha. Ở pha thứ nhất xem Hình 2.23, đăng ký số sêri cho ONU chưa đăng ký và cấp phát ONU-ID cho ONU đã thực hiện. Số Sêri là ID xác định ONU và phải là duy nhất, đồng thời ONU-ID được sử dụng để điều khiển, theo dõi và kiểm tra ONU.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Công nghệ (GPON)
Hình 2.23: Thủ tục định cỡ pha 1
Trong pha tiếp theo, RTD được đo cho mỗi ONU đã đăng ký mới (xem hình 2.24). Pha này cũng được áp dụng cho các ONU bị mất tín hiệu trong quá trình thông tin.
Hình 2.24: Thủ tục định cỡ pha 2
ONU lưu giá trị trễ cân bằng và tạo trễ định thời cho chuỗi dữ liệu truyền dẫn luồng lên với giá trị này.
2.3.8.2. Phân định băng thông động
2.3.8.2.1. Tổng quan về phân định băng thông động
Trong phần trên chúng ta đã tìm hiểu cách ngăn chồng lấn các khe thời gian. Trong phần này, chúng ta sẽ tìm hiểu việc phân định băng tần trong GPON. Có hai phương thức phân định băng thông là phân định băng thông cố định FBA (Fixed Bandwith Assign - FBA) và phân định băng thông động DBA (Dynamic Bandwith Assigment). FBA là phương pháp phân định cửa sổ truyền dẫn cố định trong một chu kì cố định với mỗi ONU. Với FBA, băng thông và độ trễ cố định không đổi, điều đó không hiệu quả vì vẫn tiêu tốn băng tần dù không có lưu lượng luồng lên. Ngược lại, DBA phân định băng thông cho mỗi ONU theo yêu cầu và nhu cầu lưu lượng luồng lên vì vậy băng thông được sử dụng hiệu quả hơn. Để có khái niệm cơ
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Công nghệ (GPON)
bản về DBA, chúng ta xem xét một ví dụ đơn giản về hoạt động của DBA (Xem Hình 2.25)
Hình 2.25: Phân định băng thông động
Tiến trình diễn ra như sau:
1. ONU lưu lưu lượng upstream nhận được từ người dùng vào bộ đệm.
2. Tiếp theo, kích cỡ dữ liệu lưu trong bộ đệm được thông báo cho OLT như một yêu cầu tại thời điểm do OLT quy định.
3. OLT xác định thời gian bắt đầu truyền và khoảng thời gian khả dụng (= cửa sổ truyền dẫn) tới ONU, xác định đặc tính dịch vụ và kích cỡ được thông báo.
4. ONU đợi tới thời gian được cấp phát và sau đó truyền kích cỡ dữ liệu đặc trưng cho OLT.
Trong tiến trình thứ 3, đặc tính dịch vụ được đề cập ở đó liên quan tới băng tần nhỏ nhất đảm bảo, băng tần tối đa, thời gian trễ tối đa… DBA liên quan trực tiếp với đặc tính dịch vụ. Các dịch vụ khác nhau sẽ đòi hỏi thiết kế khác nhau hoàn toàn.
Ba yêu cầu rất quang trọng mà các thuật toán DBA cần đạt được đó là: A. Sự công bằng: phân định băng tần như nhau đối với mỗi người sử dụng B. Độ trễ thấp: có thể đạt được thời gian trễ tối đa nhỏ hơn độ trễ gán trước và
tối ưu hoá tối đa độ trễ.
C. Hiệu suất cao: có thể tăng hiệu suất băng tần và tăng tốc độ đỉnh càng nhiều càng tốt
2.3.8.2.2. Đặc tính điều khiển lưu lượng - xếp hàng công bằng
Trong phần này chúng ta sẽ mô tả hàng đợi công bằng, đó là kĩ thuật cơ bản trong điều khiển lưu lượng. Hàng đợi công bằng hỗ trợ việc phân định băng thông như nhau. Nguyên lý của hàng đợi công bằng được mô tả trong Hình 2.26.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Công nghệ (GPON)
Hình 2.26: Nguyên lý của hàng đợi công bằng
Các gói vào được phân loại và đi vào các hàng đợi riêng. Bộ phân loại chia các gói thành các nhóm để phân định băng thông đầu ra công bằng. Ví dụ, khi một gói được phân loại dựa vào địa chỉ đầu cuối, băng thông đầu ra được phân định như nhau cho mỗi đầu cuối có địa chỉ khác nhau. Các đầu vào được người dùng phân loại và phân phối tới hàng đợi tương ứng. Tất nhiên số hàng đợi và số người dùng phải phù hợp với nhau. Về phía đầu ra của hàng đợi, bộ lập lịch đọc hàng đợi theo kiểu quay đầu (round-robin) và đưa gói tin ra khỏi hàng đợi để đạt được sự công bằng. Thậm chí nếu một người dùng truyền nhiều lưu lượng so với những người khác, lưu lượng của người đó được hướng tới một hàng đợi riêng nhờ bộ phân loại ở đầu vào. Như vậy có thể định được thời gian đơn tối đa cho đầu ra. Tóm lại, thời gian trễ tối đa trong điều kiện xấu nhất xảy ra khi gói tin kích thước lớn nhất được lưu trong tất cả các hàng đợi.
2.3.8.2.3. Các phương pháp phân định băng thông động 1. Kiểm soát vòng với chu kỳ thích ứng
Kiểm soát xoay vòng với chu kỳ thích ứng IPACT (Interleaved polling with adaptive cycle time) là một phương pháp cấp phát động DBA đã được biết đến với chi phí thấp nhờ quá trình xử lý đơn giản. Với IPACT, ONU phát đi một lượng bao gồm tất cả các gói tin lưu trữ trong bộ đệm thu luồng lên như một yêu cầu của OLT, và OLT cấp phát của sổ truyền dẫn theo thứ tự đến của các gói tin. OLT sử dụng 1 trong 5 phương pháp sau để quyết định kích thước cửa sổ cho mỗi ONU tùy theo loại dịch vụ:
1. Dịch vụ cố định: OLT cấp phát kích thước cửa sổ mà không chú ý đến số lượng ONU.
2. Dịch vụ giới hạn: Nếu số ONU vượt quá cửa sổ truyền dẫn cực đại (MTW – Maximum Transmission Window), MTW sẽ được cấp phát và nếu không thì kích thước cửa sổ sẽ được cấp phát theo số lượng ONU.
3. Dịch vụ bất biến tin cậy: Cấp phát cửa sổ với một lượng không đổi thêm vào các yêu cầu của ONU.
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Công nghệ (GPON)
4. Dịch vụ tuyến tính tin cậy: Cấp phát kích thước cửa sổ với kích thước cửa sổ thêm vào tỉ lệ với lượng yêu cầu với các yêu cầu của ONU.
5. Dịch vụ đàn hồi: Cấp phát kích thước của sổ theo lượng yêu cầu của ONU với hạn chế là sự tích luỹ của N grant cuối cùng không vượt quá N MTW. Ở đây N đại diện cho số lượng ONU.
2. Cơ chế lập lịch quay vòng không đầy đủ
Cơ chế lập lịch quay vòng không đầy đủ DRR (Deficit round-robin) sẽ cải thiện các yêu cầu A và C trong mục 2.3.2.8.1 ở trên mà IPACT chưa làm được. DRR là một phương pháp đơn giản hoá WFQ và cũng rất phù hợp với truyền dẫn burst. Trong thuật toán DRR, một bộ đệm vòng được sử dụng làm bộ đệm thu luồng lên để thực hiện một quá trình tương đương với bộ đếm không đầy đủ. Phương pháp DBA với cơ chế DRR này được mô tả như sau:
1. ONU thứ i lưu lại chiều dài burst trung bình wi có thể được phát với mỗi vòng lặp. Chiều dài burst trung bình tương đương với WFQ. Mỗi ONU có một bộ đếm không đầy đủ (Si) có giá trị khởi tạo được thiết lập tới chiều dài burst trung bình wi.
2. ONU yêu cầu kích cỡ dữ liệu cực đại nhỏ hơn giá trị bộ đếm của nó và có thể được phát đi mà không cần phân chia bất kỳ gói tin nào trong bộ đệm luồng lên. Sau đó nó phát các gói tin từ bộ đệm phát. Nếu kích thước được yêu cầu là kích cỡ của toàn bộ dữ liệu trong bộ đệm thu thì nó sẽ reset lại giá trị của bộ đếm tới chiều dài burst trung bình.
3. Cơ chế lập lịch quay vòng: trong khi xem xét RTD, OLT phát các cửa sổ truyền dẫn theo thứ tự yêu cầu từ các ONU. Kích thước cửa sổ được cấp phát bao gồm kích thước cửa sổ được dùng để phát yêu cầu tiếp theo (Wreq). Nếu yêu cầu là zero thì chỉ cấp phát một kích cỡ cửa sổ cho yêu cầu tiếp theo. 4. Tại ONU, các gói tin được đưa tới bộ đệm phát và quay lại bước (2).
Trong bước (2), sự khác nhau giữa chiều dài burst trung bình được gán trước và yêu cầu kích cỡ hiện tại được lưu lại để có thể tạo ra các yêu cầu lớn hơn không đáng kể khi tiến hành bước lặp tiếp theo của thuật toán. Bằng cách này có thể đạt được sự công bằng trong việc cấp phát gói tin.
3. DBA sử dụng thông báo nhiều hàng đợi
Để làm giảm ảnh hưởng giữa thời gian trễ cực đại với hiệu suất như nói đến ở phần trước, người ta đưa ra phương pháp phát nhiều yêu cầu từ một ONU với các ngưỡng khác nhau tại cùng một thời điểm. ONU phát 2 request volume, #1 dài hơn RTD và #2 ngắn hơn RTD. OLT lựa chọn và cấp phát giá trị thích hợp. Trong trường hợp này sẽ cấp phát cửa sổ truyền dẫn dài hơn RTD nếu việc truyền thông
Đồ án tốt nghiệp đại học Chương 2: Công nghệ (GPON)
được thực hiện với duy nhất 1 ONU trong khi duy trì chu kỳ quay vòng ngắn (xem hình 2.27).
Hình 2.27: DRR sử dụng thông báo nhiều hàng đợi