17.2 Cấu hình lưới Mesh
Nếu như trong PMP thì truyền thông giữa các SS không thể thực hiện thì trong Mesh mode đề cập đến truyền thông peer-to peer trong đó mỗi nút SS có thể giao tiếp trực tiếp với một nút khác mà không cần thông qua các BS bằng định tuyến multihop hoặc chuyển tiếp. Một mạng lưới không dây hỗ trợ peer to peer như trong chế độ lưới Mesh được đặc trưng bởi tính tự-tổ chức, tự-cấu hình, và tự-điều chỉnh để cho phép tích hợp linh hoạt, triển khai nhanh, bảo trì dễ dàng, chi phí thấp, khả năng mở rộng cao, và các dịch vụ đáng tin cậy, cũng như để tăng cường năng lực mạng, khả năng kết nối và đáp ứng lưu lượng cũng như tính đảm bảo chất lượng dịch vụ. Trong chế độ này một SS có thể định tuyến chuyển tiếp cho một hay nhiều SS khác. Ưu điểm trong chế độ này là việc mở rộng phạm vi phủ sóng, tăng khoảng cách kết nối. Các SS muốn kết nối tới một BS có thể kết nối với nhiều SS thông qua nhiều bước nhảy. Tuy nhiên hạn chế ở đây là các SS đều phải hỗ trợ tính đồng bộ. Nghĩa là các SS đều có khả năng trở thành một nút chuyển tiếp. Việc này có thể tăng tính tính phức tạp trong cấu tạo của các SS hay việc đảm bảo chất lượng dịch vụ trở nên phức tạp khi một SS trung gian kết nối giữ BS với SS cần truyền tin gặp sự cố.
các chế độ hoạt động của Wimax
Hình 3.32. Chế độ Mesh
Có hai chế độ tiêu chuẩn hóa giao tiếp mesh mode, đó là WiMAX mesh và Wi- Fi mesh. Sự khác biệt cơ bản nhất giữa MAC của WiMAX và Wi-Fi nếu bỏ qua sự khác biệt về khoảng cách truyền dẫn đó là WiMAX mesh dựa trên đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA, là một hệ thống mà có khe thời gian được lập trước hỗ trợ truyền dẫn cùng lúc đồng thời nhiều đầu cuối, trong khi Wi-Fi được dựa trên CSMA/CA, là một hệ thống truyền thông dựa trên phát hiện tranh chấp. Trong WiMAX mesh, tất cả các dữ liệu truyền đi được thực hiện theo một lịch trình lập trước để tránh xung đột. Việc hoạch định truyền tin đạt được với sự giúp đỡ của cơ chế bắt tay 3 bước, liên quan đến việc trao đổi thỏa thuận các yêu cầu về băng thông, cấp băng thông theo yêu cầu, và xác nhận cấp truyền tin giữa hai nút giao tiếp. Cơ chế bắt tay 3 bước được mô tả chi tiết sau trong phần này. Trong Wi-Fi mesh, mỗi node cố gắng dự trữ bằng phương thức phân phối các kênh để truyền và sẽ thực hiện backoff theo hàm e mũ nếu nó nhận biết các kênh bận. Để tránh va chạm, Wi-Fi mesh sử dụng cơ chế bắt tay 2 bước liên quan đến việc trao đổi tín hiệu RTS và CTS giữa hai nút giao tiếp.
các chế độ hoạt động của Wimax WiMAX mesh xác định một kênh riêng biệt trong miền thời gian dành cho các thông điệp điều khiển, trong khi Wi-Fi mesh thì không. Bằng cách tách các kênh điều khiển từ các kênh dữ liệu, WiMAX mesh đảm bảo việc truyền dự kiến trong các kênh dữ liệu không bị ảnh hưởng giữa các kênh người dùng đầu cuối bởi dựa trên băng thông yêu cầu, băng thông được cấp, xác nhận cấp truyền tin, và thông điệp điều khiển khác trong kênh điều khiển. Bởi vì có không có kênh dữ liệu riêng biệt, thông điệp điều khiển RTS và CTS trong Wi-Fi mesh có thể xung đột với truyền tải dữ liệu, dẫn đến suy giảm trong lưu lượng dịch vụ QoS.
Trong WiMAX mesh, mỗi tín hiệu bắt tay ba bước thành công có thể cho phép phân bổ đẳng thời nhiều khe thời gian trong các khung MAC kề nhau. Tính năng này rất hữu ích trong việc truyền thông liên tục nhiều đầu cuối, đảm bảo được yêu cầu về tốc độ bít bằng việc điều chỉnh và phân bổ khe thời gian trong toàn bộ quá trình kết nối.
WiMAX mesh là cấu trúc nhận dạng, nhưng Wi-Fi mesh thì không. WiMAX mesh dùng tới 3 bước (three-hop) thông tin về hàng xóm của nó và các thuật toán lập kế lịch truyền dẫn, do đó làm cho nó tối ưu hơn chống lại sự hiện diện của các nút ẩn và hở. Ngược lại, Wi-Fi mesh không có khái niệm về cấu trúc nhận dạng bởi vì nó chỉ có thông tin bước đơn (single hop).
18. Cấu trúc và hoạt động của khung MAC
WiMAX mesh chọn OFDM là lớp vật lý và TDMA với một cấu trúc khung định kỳ của MAC như minh họa trong Hình 3.9. Mỗi khung MAC bao gồm một khung con điều khiển và một khung con dữ liệu. Chiều dài của khung con điều khiển được định nghĩa là ký hiệu MSH-CTRL-LEN × 7 kí hiệu OFDM, trong đó MSH- CTRL-LEN là một tham số 4-bit trong phần tử mạng thông tin mô tả (IE). Việc thay đổi giá trị 4 bít này sẽ quyết định tới chiều dài khung con điều khiển, phần còn lại của một khung MAC là khung con dữ liệu. Mỗi khung con dữ liệu được chia thành 256 khe thời gian, mỗi khe thời gian là một đơn vị thời gian cơ bản cho tài nguyên được phân bổ để truyền thông. Không giống như các chế độ PMP WiMAX, khung con dữ liệu trong mesh mode không phân chia thành đường xuống và đường lên.
các chế độ hoạt động của Wimax
Hình 3.33. Khung MAC trong chế độ Mesh
Mỗi khung con điều khiển được chia thành nhiều khe thời gian (lên đến 16 dựa theo giá trị của 4 bít MSH-CTRL-LEN) cho việc truyền bản tin báo hiệu sử dụng bộ điều chế bậc cao và các sơ đồ mã hóa. Chiều dài của mỗi khe thời gian là 7 ký hiệu OFDM, một phần trong đó được sử dụng làm thời gian bảo vệ. Có hai loại khung con điều khiển, đó là khung con điều khiển mạng và khung con điều khiển lập lịch. Khung con điều khiển mạng được sử dụng để tạo ra và duy trì sự gắn kết giữa các nút khác nhau trong mạng. Việc thiết lập khung con điều khiển được sử dụng để tạo điều kiện thuận lợi phân bổ khe thời gian cho việc truyền tải trong các khung con dữ liệu. Khung con điều khiển mạng xuất hiện ít thường xuyên hơn so với khung con điều khiển lập lịch. Cụ thể cứ trong m khung MAC thì chỉ có một khung con điều khiển mạng tại m khung MAC đó, trong khi đó, đối với khung con điều khiển lập lịch, giá trị đó là bội số của 4 (giá trị nhỏ nhất là 0 và lớn nhất là 64).
Có hai loại khung con điều khiển: Khung con điều khiển mạng và khung con
điều khiển lập lịch. Chỉ có một khung con điều khiển mạng mỗi m khung con điều khiển lập lịch, trong đó m được cho bởi tham số Scheduling-Frame.
các chế độ hoạt động của Wimax Trong một khung con điều khiển mạng, khe thời gian đầu tiên là network entry (nhập mạng), các khe sau đó là 15 khe thời gian lưu giữ thông tin cấu hình mạng. Trong khe thời gian nhập mạng, một nút SS mới có thể được đồng bộ hóa và bắt đầu vào mạng. Trong các khe thời gian cấu hình mạng, từng SS sẽ cung cấp những thông tin cơ bản của nó đến các nút lân cận.
Có tối đa 16 khe thời gian trong một Network control subframe. Khe thời gian đầu tiên là network entry (Truy nhập mạng). Các khe thời gian còn lại dành cho việc lưu giữ cấu hình mạng. Thông qua các thuật toán bầu chọn, một SS quyết định khe thời gian để truyền gói tin tiếp theo của nó.
Có tối đa 16 khe thời gian trong một schedule control subframe. Các khe thời gian cuối dành cho những cơ cấu lập lịch được phân bổ. Khe thời gian còn lại trước lập lịch phân phối là lập lịch tập trung (centralized scheduling).
Hình 3.34. Cấu trúc khung MAC trong WiMAX mesh mode
Chức năng của khung con điều khiển mạng là mang hai loại bản tin cấu hình. Đầu tiên là tin nhắn MSH-NENT (Mesh Network Entry) cung cấp sự đồng bộ cho một nút mới truy nhập vào mạng. Tin nhắn này thường được xuất hiện trong 7 symbol đầu của khung con điều khiển mạng. Như vậy sẽ còn (MSH-CTRL-LEN-1) x 7 symbol còn lại mang tin nhắn cấu hình mạng MSH-NCFG (Mesh Network Configuration).
các chế độ hoạt động của Wimax
Hình 3.35. Cấu trúc2 bản tin cấu hình
Các tin nhắn cấu hình đều có phần mào đầu để nhận dạng các tin nhắn cấu hình. Kết thúc là một hay nhiều khoảng bảo vệ để chống nhiễu. Nội dung của các tin nhắn cấu hình được mang trong các MAC PDU.
18.1.1.2Khung con điều khiển lập lịch
Trong một khung con điều khiển lập lịch, một vài khe thời gian đầu tiên sẽ dành cho là lập lịch tập trung (centralized scheduling); các khe thời gian còn lại dành cho các thông báo lập lịch phân phối (distributed scheduling). Khung con điều khiển lập lịch sẽ cung cấp ba loại bản tin: Mesh Centralized Schedule (MSH-CSCH), Mesh Centralized Schedule Configuration (MSH-CSCF) và Mesh Distributed Scheduling (MSH-DSCH). Nếu số khe thời gian dành cho MSH-DSCH là a thì số khe thời gian dành cho MSH-CSCH sẽ là MSH-CTRL-LEN – a.
các chế độ hoạt động của Wimax Trong IEEE 802.16 thì WiMAX mesh hỗ trợ cả hai mô hình lập lịch tập trung và phân phối. Trong lập lịch tập trung (centralized scheduling), một lưới BS ở giữa như mô tả trong hình 3.7 thực hiện việc phân bổ khe thời gian. Trong lập lịch phân phối (distributed scheduling), mỗi yêu cầu cặp thiết bị nhận và phân bổ khe thời gian cục bộ. Dù là lập lịch nào thì cũng có 2 hoạt động chính là lập lịch bản tin điều khiển và lập lịch dữ liệu. Có thể hiểu lập lịch tập trung là BS phân bổ lưu lượng truyền tải với các SS còn lập lịch phân phối là việc phân bổ lưu lượng truy nhập nội bộ giữa các nút.
Với lập lịch tập trung, BS sẽ phân bổ cho các SS ở các khe thời gian khác nhau để thực hiện truyền dẫn. Điều khiển việc lập lịch này BS sử dụng 2 bản tin MSH- CSCH và MSH-CSCF để thông báo với các nút. Để thực hiện điều này BS sẽ tính toán dựa trên cấu trúc toàn cục của mạng theo 1 sơ đồ cây để có thể nắm được số các hop để tới được các SS bằng cách Broadcast bản tin MSH-CSCF tới các SS mà kết nối tới BS thông qua 1 hop (1 bước nhảy). Và các bản tin này tiếp tục được các SS chuyển xuống các SS dưới nó. Cụ thể việc lập lịch sẽ thông qua quy tắc 4 bước:
• BS sẽ luôn truyền trước
• Với mọi SS, đường xuống sẽ luôn trước đường lên
• Các nút cách BS i hop sẽ truyền dẫn trước các nút các BS i+1 hop • Các nút cách BS I hop thì nút nào có ID thấp hơn sẽ truyền dẫn trước
các chế độ hoạt động của Wimax Trong WiMAX mesh, lập lịch phân phối có thể tiếp tục được phân thành lập lịch phân bổ phối hợp và lập lịch không phân bổ phối hợp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.38.Thuật toán bầu chọn lưới để truyền trong khe thời gian hiện tại.
Đối với coordinated distributed scheduling, yêu cầu-cấp-xác nhận tín hiệu bắt tay ba bước diễn ra trong khung con điều khiển lập lịch. Đối với lập lịch không phân bổ phối hợp, tín hiệu bắt tay ba bước được thực hiện ngẫu nhiên trong các khe thời gian không nhất thiết phải sử dụng khe thời gian trong khung con điều khiển lập lịch. Vì vậy, việc thực hiện lập lịch không phân bổ phối hợp khó dự đoán hơn so với lập lịch phân bổ phối hợp. Chúng ta sẽ tập trung vào lập lịch phân bổ phối hợp trong chương này.
Trong lập lịch phân bổ phối hợp, khi một SS có một gói tin gửi đến SS khác, nó sẽ truyền một yêu cầu băng thông tới các SS (có thể là các SS trung gian hay trực tiếp P2P) trong một khe thời gian trong khung con điều khiển lập lịch. Tất nhiên tại cùng một thời điểm sẽ có một, hai hay nhiều SS cùng yêu cầu cấp băng thông kết nối tới một SS để tranh chấp các khe thời gian. Các khe thời gian dành cho một SS nào đó được xác định bằng cách sử dụng các thuật toán bình chọn, chỉ có một SS (SS chiến thắng) để truyền tải trong mỗi khe thời gian được cấp cho riêng nó mà không có xung
các chế độ hoạt động của Wimax đột. Các SS không chiến thắng sẽ tiếp tục tranh chấp các khe thời gian sau khe thời gian hiện tại. Thuật toán thực hiện theo cách phân phối trong mỗi SS và một SS xác định nó như là nút chiến thắng cho các khe thời gian hiện tại nếu ID SS đó tạo ra giá trị cao nhất từ một hàm trộn giả ngẫu nhiên. Hàm này có đầu vào là chuỗi số của các khe thời gian hiện tại và thiết lập ID cho tất cả các nút thích hợp để truyền trong khe thời gian. Việc lập lịch lập lịch phân bổ phối hợp sẽ dựa trên bản tin MSH-DSCH. Bản tin này mang 2 tham số XmtHoldOffExponent và NextXmtMm. 2 tham số này sẽ sử dụng để một SS xác định khoảng thời gian được phép truyền và không được phép truyền trong một khe thời gian nào đó. Như minh họa trong Hình 3.11, các thiết lập của các nút thích hợp để cạnh tranh bao gồm tất cả các nút lân cận đáp ứng ba điều kiện sau đây:
Các khe thời gian hiện tại nằm trong khoảng thời gian NextXmtTime của nút. Ở đây, NextXmtTime được xác định như sau:
Trong đó, tham số XmtHoldoffExponent và NextXmtXm của một nút tương ứng với các thông số quảng bá 3-bit và 5-bit bản tin điều khiển lập lịch phân phối của nút. Các khe thời gian hiện nay xuất hiện sau thời gian EarliestSubsequentXmtTime của nút, được xác định như sau:
EarliestSubsequentXmtTime = NextXmtXm + XmtHoldoffTime
Trong đó, XmtHoldoffTime xác định bởi 2XmtHoldoffExponent+4. Trong thực tế,
XmtHoldoffTime là khoảng thời gian backoff của nút sau khi nó truyền trong một khe
thời gian.
Không biết khoảng thời gian NextXmtTime của nút.
Một nút gửi tín hiệu yêu cầu băng thông sau khi chiến thắng qua các cuộc bình chọn bởi thuật toán mô tả ở trên. Khi nhận được yêu cầu băng thông, nút nhận sẽ bố trí nhóm đầu tiên của khe thời gian có sẵn trong khung con dữ liệu để truyền. Kết quả của việc phân bổ khe thời gian khung con dữ liệu này sẽ được công bố bởi các nút
các chế độ hoạt động của Wimax nhận. Tất cả được truyền đi trong khung con điều khiển. Để phản hồi lại, các nút máy phát sẽ gửi một xác nhận trong khung con điều khiển theo cùng một thuật toán bình chọn lưới. Thông thường, các gói dữ liệu sẽ được truyền trong khung con dữ liệu chỉ sau khi truyền thành công xác nhận.