2.7.1.Định cỡ.
2.7.1.1.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 đầu cuối đường dây quang (OLT) trong một hệ thống mạng quang thụ động (PON) sẽ đặt ra nhu cầu cần một phương pháp ghép tín hiệu cho mỗi ONU.
Trong các phân tích ở trên [mục 2.3], chúng ta đã phân tích về các kỹ thuật truy nhập và phương thức ghép kênh được sử dụng cho các hệ thống GPON. Phương pháp TDMA có chi phí thấp nhất hiện nay, nên các hệ thống PON nói chung và GPON nói riêng sử dụng TDMA được chuẩn hóa và thương mại hóa. Vì vậy, chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể hơn về phương pháp TDMA vì nó gắn liền với việc định cỡ trong GPON (hình 2-20)
RDT1/2 Vào OLT Thời gian Ra ONU Thời gian Ra ONU 2 RDT2/2 Thời gian
Hình 2-20: Đa truy nhập phân chia theo thời gian theo GPON
2.7.1.2.Cửa sổ định cỡ.
Khoảng cách giữa OLT và ONU thường khác với ONU với 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), OLT tự
Data 1 Data 2 Data 2 Data 1 Data 1 Data 2 Data 1 Data 2
động và đều đặn sử dụng cửa sổ định cỡ để đo trễ (như minh họa trong hình 2-21) và xác định một OLU để phát tín hiệu trong phép đo trễ.
Cửa sổ định cỡ RDT của OLU mới Vào OLT Time Ra ONU#1 Time Ra ONU#2 Time Ra OLU mới
Tín hiệu để đo trễ Time
Hình 2-21: Cửa sổ định cỡ.
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 (10-5 km)x2/(300 000 km/s/1,5) = 50 ms. 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 đo 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 khi nó được rút ngắn, chi phí thiết bị tăng lên.
2.7.1.3.Thủ tục định cỡ của GPON.
Data#1 Data#2 Data#1
Data#1
Có hai cách xác định ONU cho quá trình định cỡ. Một phương pháp xác định duy nhất ONU đã đăng ký và phương pháp khác 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 phương pháp giảm xung đột trong quá trình định cỡ là truyền tín hiệu cho quá trình đo trễ với một khoảng cách thời gian chờ ngẫu nhiên, gần giống như phương pháp được sử dụng trong Ethernet (CDMA/CD).
Cửa sổ định cỡ
OLT Time (1) ONU ngừng truyền (2)Yêu cầu SN (4)Gán ONU-ID ONU#1 Time
ONU#2 Time (3)Phát SN
ONU mới Time Trễ ngẫu nhiên
Hình 2-22: Thủ tục định cỡ pha 1
Thủ tục định cỡ của GPON được chia làm 2 pha. Ở pha thứ nhất (hình 1-22)đăng ký số sêri cho ONU chưa đăng ký và cấp phát ONU-ID cho ONU đã thực hiện. Số sêri 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.
Các bước trong pha thứ nhất:
1. OLT xác định tất cả các ONU hiện đang hoạt động để cho dừng quá trình truyền dần (các ONU ngừng truyền dẫn –(1) ONU halt)
2. OLT xác định ONU không có ONU-ID để yêu cầu truyền số sêri (bản tin yêu cầu số sêri –(2) serial_number request)
3. Sau khi nhận được yêu cầu truyền số sêri, ONU không có ONU-ID sẽ truyền số sêri (quá trình truyền số sêri –(3) SN tránmission) sau khi chờ một khoảng thời gian ngẫu nhiên (tối đa 50ms)
4. OLT chỉ định một ONU-ID tới ONU chưa đăng ký mà OLT đã được nhận số sêri (bản tin chỉ định ONU-ID –(4) asign ONU-ID).
Trong pha tiếp theo RTD được đo cho mỗi ONU đã đăng ký mới. Thêm vào đó pha này cũng được áp dụng Cho các ONU bị mất tín hiệu trong quá trình thông tin.
Cửa sổ định cỡ RDT của ONU mới
OLT Time (5) ONU ngừng truyền (6)Yêu cầu định cỡ (8)Bản tin định cỡ ONU#1 Time
ONU#2 Time (7)Phát định cỡ
ONU mới Time (9) Trễ cân bằng
Hình 2-23: Thủ tục định cỡ pha 2. Các bước trong pha thứ hai bao gồm:
5. OLT xác định tất cả các ONU đang thông tin để cho dừng quá trình truyền dẫn luồng lên (các ONU ngừng truyền dẫn –(5) ONU halt )
6. Sử dụng các số sêri, OLT xác định một ONU nhất định và chỉ ONU đó được truyền tín hiệu cho quá trình đo trễ (bản tin yêu cầu ranging –(6) ranging request)
7. ONU có số sêri trùng với số sểi OLT đã xác định sẽ truyền tín hiệu cho quá trình đo trễ (quá trình truyền ranging –(7) ranging transmission), bao gồm cả ONU-ID đã chỉ định trong pha 1.
8. OLT đo RTD phụ thuộc vào thời gian mà tín hiệu sử dụng cho phép đo trễ thu được. Hơn nữa, sau khi xác nhận sự kết hợp giữa số sêri và ONU-ID là đúng, OLT thông báo trễ cân bằng (Equalization Delay = Tept - RTD) tới ONU (bản tin thời gian ranging –(8) Ranging-time mesage). Trong đó Tept là hằng số và giá trị RTD lớn nhất được xác định trong mạng PON. Ví dụ với khoảng cách 20km thì Pted=200ms.
ONU lưu giá trị trễ cân bằng và tạo trễ định thời cho chuỗi dữ liệu truyền dẫn luồng lên với giá trị này.
2.7.2.Phân định băng thông động.
2.7.2.1.Tổng quan về phân định băng thông động.
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 và phân định băng thông động DBA. FBA là phương pháp phân định cửa sổ truyền dẫn cố định trong một chu kỳ cố định với mỗi ONU. Với FDA, 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 đường 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 bản về DBA, chúng ta xem xét một ví dụ đơn giản về hoạt động của DBA như trên hình 2-24:
OLT
ONU
User
Băng thông gán Yêu cầu
Hình 2-24: Phân định băng thông động.
G Data G R R R R G R Data Data Time Time Time
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 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 trưc tiếp với đặc tính dịch vụ. Các dịch vụ khác nhau sẽ đòi hỏi thiết kế khác nhau hoàn toàn.
Ba yêu cầu rất quan 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 hóa tối đa độ trễ.
C. Hiệu suất cao: có thể tăng hiệu suất băng tần và tăng tốc độ đỉnh càng nhiều càng tốt.
2.7.2.2.Đặc tính điều khiển lưu lượng – xếp hàng công bằng.
Trong phần này chúng ta sẽ mo phỏng hàng đợi công bằng, đó là kỹ 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 2-25.
Hình 2-25: 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 và 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 đươ gói tin ra khỏi hàng đợi để đạt được sự công bằng. Thậm chí nếu một người dùng truyền nhiều lưu lượng hơn những người khác, lưu lượng của người đó được đưa tới một hàng đợi riêng nhờ bộ phân loại ở đầu vào. Như vậy có thể định được thời gian 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 đơi.
Hoạt động của bộ lập lịch là yếu tố quyết định của sự công bằng. Hoạt động của bộ lập lịch xếp hàng công bao gồm các bước sau:
1. Thiết lập một trọng số wi[bit] trong mỗi hàng đợi, trong đó ‘i’ là số thứ tự hàng đợi.
Data Data Data Data Data Data Data Data Bộ phân loại Hàng đợi 1 111111 Hàng đợi n Hàng đợi 2 Hàng đợi 3 Bộ tạo lệnh Đầu ra
2. Thực hiện lập lịch quay đầu, nó sẽ lần lượt đi tới mỗi hàng đợi. Mỗi hàng đợi được chọn để nhận wi[bit] ảo trong một vòng lặp của thuật toán quay vòng.
3. Khi một hàng đợi lưu số bit nguyên để truyền Si lớn hơn chiều dài gói tin tiêu đề dòng (head-of-line) của hàng đợi đi. Ví dụ, khi hàng đợi lưu một gói tin đầy đủ, hàng đợi loại gói (empty) tin đó và giảm kích thức gói tin của nó về Si.
4. Bỏ qua việc quay vòng cho các hàng đợi mà chưa lưu đầy đủ một gói tin.
Xét một ví dụ đơn giản minh họa hoạt động của bộ lâp lịch. Đầu tiên chúng ta giả thiết rằng w1=2 và w2=1, và hàng đợi đầu tiên đang nhận các gói tin 3000 bit và hàng đợi thứ hai là 1000 bit. Ở đây chúng ta không quan tâm tới phần đầu và khoảng cách giữa các khung để đơn giản hóa.
1. Khởi tạo S1=2 và S2=1.
2. Thuật toán quay vòng được lặp lại 1000 lần, dẫn tới S1=2002 và S2=1001. Gói 1000 bit đầu tiên được chuyển từ hàng đợi thứ hai. Giảm S2 tới 1.
3. Thuật toán quay vòng được lặp lại 500 lần nữa, dẫn tới S1=3002 và S2=501. Gói 3000 bit đầu tiên được chuyển từ hàng đợi đầu tiên. Giảm S1 tới 2.
4. Thuật toán quay vòng được lặp lại 500 lần nữa, dẫn tới S1=1002 và S2=1001. Gói 1000 bit thứ hai được chuyển từ hàng đợi thứ hai. Giảm S2 về 1.
5. Thuật toán quay vòng được lặp lại 1000 lần, dẫn tới S1=3002 và S2=1001. Gói 3000 bit thứ hai được chuyển từ hàng đợi đầu tiên. Giảm S1 tới 2. Trong cùng quá trình lặp, gói tin 1000 bit tiếp theo được chuyển từ hàng đợ thứ hai và S2 bị giảm về 1.
Các bước (2) tới (5) được lặp lại cho tới khi lưu lượng đầu vào dừng.
Trong quá trình lặp từ (2) đến (5), đầu ra là 6000 bit từ hàng đợi đầu vào và từ hàng đợi thứ hai là 3000 bit, điều đó cho thấy băng thông phân định phụ thuộc vào tỉ lệ của wi. Chúng ta có thể thấy rõ ví dụ này, có thể phân định băng thông công bằng mà không quan tâm đến chiều dài gói tin. Nói cách khác, băng thông đảm bảo nhỏ nhất cho hàng đợi thứ j có thể được xác định bởi công thức:
Bj = Toutx(wj/∑wi) (2-1) Hơn nữa, chúng ta có thể thấy được từ ví dụ trên là tứ hàng đợi thứ hai độ trễ của các gói tin ngắn hơn giảm đi.
2.7.3.2.1.Kiểm xoát vòng với chu kỳ thích ứng.
Kiểm soát xoay vòng với chu kỳ thích ứng IPACT 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 cơar 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 cần chú ý đến số lượng ONU.
2. Dịch vụ giới hạn: nếu số ONU vựt 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.
4. Dịch vụ tuyến tính tin cậy: cấp phát kích thước cửa sổ với kích thước cửa sổ thêm vào tỷ lệ với lượng yêu cầu với các yêu cầu của ONU.
5. Dịch vụ đàn hồi: cấp phát kích thước cửa sổ theo lượng yêu cầu của ONU với hạn chế là sự tích lũy của N grant cuối cùng không vượt quá N MTW. Ở đây N đại diện cho số lượng ONU.
Các phương pháp (1), (3), (4), (5) ít được sử dụng. Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu kỹ hơn về phương pháp thứ (2). Dịch vụ công bằng giới hạn hoạt động theo phương thức dưới đây, sử dụng phương pháp hàng đợi công bằng:
1. OLT ghi nhớ kích thước cửa sổ truyền dẫn cực đại (MTWi) của mỗi ONU. MTWi này tương đương với WFQ.
2. Đầu tiên, OLT cấp phát cửa sổ truyền dẫn theo thứ tự yêu cầu của mỗi ONU. 3. Mỗi ONU phát dữ liệu được lưu trữ trong bộ đệm thu lường lên theo yêu cầu.
4. Gọi Wreq là kích thước cửa sổ yêu cầu của mỗi ONU đê gửi yêu cầu băng thông tiếp theo tới OLT trong một bản thông báo yêu cầu. Theo thứ tự các yêu cầu thu và trong khi xác định RDT, OLT cấp phát MTWi nếu toàn bộ lượng yêu cầu của ONU thứ i + kích thước cửa sổ đối với thông báo yêu cầu tiếp theo (Wreq) vượt quá MTWi.
5. Mỗi ONU phát các gói tin được lưu trữ trong bộ đệm thu luồng lên theo kích thước cửa sổ, tiếp theo là một bản thông báo yêu cầu chứa khối dữ liệu còn lại trong bộ đệm thu lường lên . Quá trình này quay lại (4).
Hình 2-26 biểu diễn quá trình hoạt động trên, khi số lượng ONU là N thì khoảng thời gian cực đại Rmax mà thuật toán quay đâu cần tạo nên một chu kỳ là:
ax ( )
m i req
R =∑MTW + +N BOH W+ (2-2)
Hơn nữa, nếu một ONU phát lưu lượng luồng lên là ONU thứ i, thì hiệu suất Emax
(hay tốc độ đỉnh) được cho bởi công thức sau:
( ) ( ) ( )
ax
ax 1
i req m
req p time p time i
MTW W E
m N x BOH W Tx RTD OLT − ONU − MTW BOH
− = − + + + + + (2-3) Cửa sổ lãng phí OLT
Thời gian xử lý ONT Time ONU 1
Time ONU 2
Time ONU 3
(a) có một ONU với lưu lượng đầu vào Thời gian xử lý ONT Time Data 3 R3 R1 R2 Data 3 R3 G3 R1 G3 R2 G3 R3 Data 3
OLT Time ONU 1 Time ONU 2 Time ONU 3
(b) Lưu lượng đầu vào tại tất cả các ONU Time
Hình 2-26: Hoạt động của IPACT
Nếu MTWi nhỏ thì dịch vụ giới hạn IPACT sẽ thỏa mãn yêu cầu trễ cực tiểu. Tuy nhiên, vẫn phải thỏa mãn điều kiện A và C trong phần 0. Do các gói Ethernet không thể