3.1.1 Lớp MAC
3.1.1.1 Lớp con hội tụ CS
Khái niệm CID: Một kết nối được hiểu là một ánh xạ từ MAC-BS tới MAC-SS với mục đích vận chuyển lưu lượng của một loại dịch vụ. Mỗi kết nối được xác định bởi một CID là viết tắt của chữ Connection Identifier, có độ dài 16 bit.
Lớp con hội tụ CS thi hành một số các chức năng như nhận các PDU từ lớp cao hơn, phân lớp dịch vụ các PDU đó, tùy theo các dịch vụ mà xử lí các PDU, phân phối các PDU này xuống lớp con MAC thông qua một điểm SAP thích hợp.
Tuy nhiên, nhiệm vụ chính của lớp này là phân loại các đơn vị dịch vụ dữ liệu SDU, ánh xạ nó vào một kết nối MAC phù hợp, tức là vào một CID, đảm bảo cho việc xử lí QoS. Để đảm bảo thực hiện được điều này, lớp CS có thể sử dụng các thuật toán tinh vi để ánh xạ hoặc cũng có thể thêm, thay đổi tiêu đề mỗi gói tin của lớp trên để xử lí. Hiện tại chỉ có hai định nghĩa được được cung cấp trong 802.16: ATM CS và Packet CS. ATM CS được định nghĩa cho các dịch vụ ATM còn Packet CS được định nghĩa cho các dịch vụ gói như Ipv4, Ipv6, Ethernet, VLAN,…
ATM CS nhận các tế bào ATM, xử lí, phân lớp dịch vụ và phân phối nó xuống lớp dưới.
Packet CS phân lớp các loại MAC SDU vào kết nối thích hợp, gỡ, thêm các tiêu đề, phân phối dữ liệu đến lớp con MAC, nhận dữ liệu từ lớp con MAC rồi xử lí.
Các MAC SDU sẽ được phân loại bằng cách ánh xạ nó vào một kết nối riêng, điều đó cũng có nghĩa là MAC SDU sẽ được ánh xạ vào một luồng dịch vụ riêng, có các đặc điểm QoS riêng. Hình 3.1 thể hiện quá trình phân loại MAC SDU
Hình 3.1 Quá trình phân loại MAC SDU
3.1.1.2 Lớp con MAC CPS
Sự trao đổi giữa các BS và SS trong một vùng thường có mấy dạng kiến trúc là P2P, PMP và Mesh.
- Kiến trúc P2P xảy ra khi chỉ có một BS và một SS, các kết nối xảy ra giữa từng cặp BS, SS.
- Kiến trúc PMP là sẽ có một kết nối giữa một BS với nhiều SS khác nhau. So với P2P thì PMP có khả năng phục vụ cao hơn, hiệu suất tốt nhưng phạm vi bao phủ thường hẹp hơn nhiều. Kiến trúc PMP trong triển khai thường được tổ chức thành các vùng (sector) và nó hỗ trợ tốt trong truyền thông multicast.
- Kiến trúc Mesh là một kiến trúc mà bao giờ cũng có một đường kiên kết giữa hai điểm bất kì.
Mặc dù 802.16- 2004 hỗ trợ cả ba kiểu kiến trúc trên nhưng PMP là kiến trúc được quan tâm nhất. Kiến trúc này có một BS làm trung tâm sẽ cung cấp kết nối cho nhiều SS. Trên đường xuống (downlink), dữ liệu đưa tới SS được hợp kênh theo kiểu TDM. Các SS chia sẻ đường lên theo dạng TDMA.
MAC 802.16 theo kiểu hướng kết nối (connection-oriented). Tất cả những dịch vụ bao gồm những dịch vụ không kết nối (connectionless) cố hữu, được ánh xạ tới một kết nối. Điều đó cung cấp một cơ chế cho yêu cầu dải thông, việc kết hợp QoS và các tham số về lưu lượng, vận chuyển và định tuyến dữ liệu đến lớp con quy tụ thích hợp và tất cả các hoạt động khác có liên quan đến điều khoản hợp đồng của dịch vụ. Các kết nối được tham chiếu đến các CID 16-bit (16-bit connection identifier) và có thể yêu cầu liên tiếp
dải thông được cấp phát hay dải thông theo yêu cầu.
Đánh địa chỉ và kết nối
Mỗi SS sẽ có một địa chỉ cứng gọi là địa chỉ MAC 48bit, giống như được định nghĩa trong 802 nói chung. Địa chỉ này là duy nhất cho thiết bị trên toàn thế giới. Nó được sử dụng trong quá trình khởi tạo kết nối. Nó cũng có thể được dùng để chứng thực giữa BS và SS với nhau.
Lúc vào mạng, SS được gán ba kết nối quản lý (management connection) cho mỗi hướng (Uplink hoặc Down link). Ba kết nối này phản ánh ba yêu cầu QoS khác nhau được sử dụng cho ba mức quản lý khác nhau giữa BS và SS. Kết nối đầu tiên là kết nối cơ sở (basic connection) được dùng để truyền các thông điệp ngắn, “time - critical MAC” và RLC (radio link control). Kết nối quản lý sơ cấp (primary management connection) được sử dụng để truyền các thông điệp dài hơn, chịu trễ nhiều hơn như những gì được sử dụng để chứng thực và cài đặt kết nối. Kết nối quản lý thứ cấp được sử dụng để truyền các thông điệp quản lý dựa trên cơ sở các chuẩn như DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol), TFTP (Trivial File Transfer Protocol) và SNMP (Simple Network Management Protocol). Ngoài những kết nối quản lý này, các SS được cấp phát các kết nối vận chuyển (transport connection) cho các dịch vụ đã ký hợp đồng. Những kết nối vận chuyển theo một hướng duy nhất đơn giản hoá các tham số QoS đường lên và đường xuống khác nhau và các tham số lưu lượng. Ngoài ra MAC còn dự trữ các kết nối bổ sung cho những mục đích khác như sự truy nhập lúc khởi đầu trên cơ sở cạnh tranh, sự truyền quảng bá (broadcast) cho đường xuống hoặc sự kiểm tra tuần tự (polling).
Định dạng MAC PDU
MAC PDU là đơn vị dữ liệu được dùng để trao đổi thông tin giữa các lớp MAC của BS và SS. MAC PDU có hai dạng, dạng thông thường và dạng yêu cầu băng thông. MAC PDU thông thường bắt đầu bởi một tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải (payload), tải có độ dài thay đổi, chính vì vậy mà MAC PDU cũng có chiều dài thay đổi. Và cuối cùng là mã CRC. MAC PDU yêu cầu băng thông thì chỉ có phần tiêu đề mà thôi.
Hình 3.2 dưới đây mô tả dạng của MAC PDU
Hình 3.2 Cấu trúc của MAC PDU
Mỗi MAC PDU bao gồm phần tiêu đề có chiều dài cố định. Tiếp theo là tải, tải thông thường bao gồm các tiêu đề con (subheader) và MAC SDU. Tải cũng có thể có độ dài bằng 0 trong trường hợp đó là MAC PDU dùng để yêu cầu băng thông.
CRC (Cyclical Redundancy Checking) là mã vòng kiểm soát lỗi cho cả phần header và payload trong MAC PDU tương ứng với nó. CRC chỉ được gắn vào MAC PDU khi đó là MAC PDU thông thường (chứa thông tin quản lý hoặc dữ liệu). Như vậy, MAC PDU yêu cầu băng thông không được bảo vệ bằng CRC.
Quá trình xây dựng MAC PDU
Trước khi được truyền đi, lớp MAC sẽ phải xây dựng MAC PDU một cách hợp lí và hiệu quả nhất. Quá trình này bao gồm các bước sau:
- Quá trình móc nối: Nhiều MAC PDU có thể được kết hợp với nhau vào một phiên truyền ( PDU dữ liệu, PDU yêu cầu băng thông,…). Quá trình này có thể thực hiện ở cả đường lên và đường xuống.
- Quá trình phân mảnh: Quá trình này chia một MAC SDU có kích thước lớn thành nhiều MAC PDU có kích thước hợp lí hơn. Quá trình này được sử dụng đối với các dịch vụ mà gói tin có kích thước lớn như voice, video,.. được dùng để khai thác một cách hiệu quả băng thông liên quan đến chất lượng dịch vụ. Nó có thể được thực hiện ở cả đường lên và đường xuống.
- Quá trình đóng gói (packing): Quá trình kết hợp nhiều MAC SDU thành một MAC PDU. Các kết nối phải cho phép mang các gói tin có kích thước thay đổi để khai thác được hiệu quả tính năng này. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Cả hai quá trình phân mảnh và đóng gói có thể được bắt đầu bởi một BS cho một kết nối đường xuống hoặc một SS cho một kết nối đường lên. Hai quá trình này được
cho phép đồng thời để có thể sử dụng dải thông một cách hiệu quả.
Yêu cầu dải thông và cấp phát
Khi vào mạng, mỗi SS được gán đến 3 CIDs cho các mục đích gửi và nhận những thông điệp điều khiển, 3 cặp kết nối CID này được sử dụng để phân biệt các mức QoS của các kết nối khác nhau. Yêu cầu tăng hoặc giảm băng thông rất cần thiết cho tất cả các dịch vụ ngoại trừ kết nối UGS (dịch vụ cấp phát tự nguyện) có tốc độ bit không đổi. Ngoài ra các kết nối khác có nhu cầu tăng hoặc giảm băng thông phụ thuộc vào lưu lượng truyền.
Khi một SS cần yêu cầu băng thông trên một kết nối với dịch vụ lập lịch BE (Best Effort), nó gửi một thông điệp đến BS bao gồm nhu cầu tức thì về kết nối DAMA (DAMA là một dịch vụ cung cấp tài nguyên khi SS phát sinh nhu cầu). QoS cho kết nối đã được tạo lập tại lúc thiết lập kết nối và được tìm kiếm bởi BS.
Hỗ trợ PHY và cấu trúc khung
MAC IEEE 802.16-2004 hỗ trợ cả TDD lẫn FDD. Sự lựa chọn giữa hai công nghệ song công này có những ảnh hưởng nhất định đến thông số lớp PHY cũng như tác động đến các đặc tả hỗ trợ của MAC.
Ở hệ thống FDD, đường lên và đường xuống được đặt ở những tần số riêng biệt, dữ liệu đường xuống có thể được phát "continuous" (liên tục) hoặc theo từng "burst" (không liên tục). Các đường xuống “continuous” có tính đến các kỹ thuật nâng cao hiệu suất như “interleaving” (chèn). Các đường xuống “burst” (FDD hoặc TDD) cho phép sử dụng nhiều kỹ thuật nâng cao khả năng và dung lượng hơn như “burst-profiling” thích ứng mức thuê bao và các hệ thống ăngten cải tiến.
MAC xây dựng khung con (subframe) của đường xuống bắt đầu với một đoạn điều khiển khung có chứa các thông điệp DL-MAP và UL-MAP. Chúng chỉ ra những chuyển tiếp PHY trên đường xuống cũng như những định vị dải thông và các “burst-profile” ở đường lên.
DL-MAP luôn có thể ứng dụng cho khung hiện thời và luôn có độ dài tối thiểu là hai block FEC. Sự chuyển tiếp PHY đầu tiên được biểu thị trong block FEC đầu tiên cho phép thời gian xử lý thích ứng. Trong cả hai hệ thống TDD và FDD, UL-MAP cung
cấp các định vị bắt đầu không muộn hơn khung đường xuống tiếp theo.
Tuy vậy, UL-MAP có thể định vị sự khởi đầu khung hiện thời miễn là những thời gian xử lý và những độ trễ toàn phần (round-trip delay) phải được giám sát.
Điều khiển kết nối Radio (RLC- Radio Link Control)
Công nghệ được cải tiến của PHY 802.16-2004 đòi hỏi RLC nâng cao, đặc biệt khả năng PHY để chuyển tiếp từ một burst-profile tới một burst-profile khác. RLC phải điều khiển khả năng này cũng như các chức năng RLC truyền thống.
Uplink Scheduling Services (các dịch vụ lập lịch đường lên) - Mỗi kết nối theo hướng đường lên được ánh xạ đến một scheduling-service. Mỗi scheduling-service liên quan đến một tập các quy tắc dựa trên trình lập lịch BS (BS-scheduler) chịu trách nhiệm cấp phát dung lượng cho đường lên và giao thức cấp phát theo yêu cầu giữa SS và BS. Đặc tả chi tiết các quy tắc và scheduling-service được dùng cho một kết nối đường lên đặc thù được thỏa thuận tại thời gian cài đặt kết nối.
Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS (unsolicited grant service) được biến đổi để mang lại các dịch vụ tạo ra những đơn vị cố định dữ liệu theo chu kỳ. Khi được sử dụng với UGS, đầu mục con quản lý cấp phát gồm poll-me bit cũng như slip indicator flag
(cờ báo lỗi) cho phép SS báo cáo rằng hàng đợi truyền bị ùn do các yếu tố như mất sự cấp phát hay lệch giờ giữa hệ thống và mạng bên ngoài. Nhờ vào sự phát hiện slip- indicator flag, BS có thể cấp phát dung lượng bổ sung nào đó cho SS, cho phép nó hồi phục trạng thái hàng đợi trung bình. Những kết nối được cấu hình với UGS thì không được phép sử dụng những cơ hội truy nhập ngẫu nhiên cho các yêu cầu.
Quá trình khởi tạo và đi vào mạng
Hệ thống hỗ trợ những thủ tục cho quá trình đăng kí vào mạng của một SS mới. Thủ tục này bao gồm những pha nhỏ sau:
- Sự thu nhận kênh (Channel Acquisition):
Giao thức MAC bao gồm một thủ tục khởi tạo được thiết kế để loại trừ nhu cầu cấu hình thủ công. Vào lúc cài đặt, một SS bắt đầu quét danh sách tần số của nó để tìm ra một kênh hoạt động. Nó có thể được chương trình hoá để đăng ký với một BS xác định, tham chiếu đến một broadcast ID BS (có khả năng chương trình hoá).
Sau khi quyết định trên kênh nào, SS cố gắng thử đồng bộ hoá sự truyền đường xuống do phát hiện ra các đoạn đầu khung theo chu kỳ (periodic frame preambles). Một khi lớp vật lý được đồng bộ hoá, SS sẽ tìm kiếm những thông báo UCD và DCD quảng bá định kỳ cho phép SS nhận biết sự điều chế và các kế hoạch FEC sử dụng trên sóng mang.
- Chứng thực và đăng ký SS:
Mỗi SS có chứa một giấy chứng nhận số X.509 được cài đặt từ nhà máy và giấy chứng nhận của nhà sản xuất. Các giấy chứng nhận này thiết lập một liên kết giữa địa chỉ MAC 48-bit của SS và khoá RSA dùng chung, được gửi cho BS từ SS trong những thông báo yêu cầu cấp phép và thông tin chứng thực. Mạng có khả năng xác minh sự giống nhau của SS bởi việc kiểm tra các giấy chứng nhận và sau đó kiểm tra mức cho phép của SS. Nếu SS được cấp phép để tham gia mạng, BS sẽ đáp lại yêu cầu của nó với một Authorization Reply (trả lời cấp phép) có chứa một khoá AK (Authorization Key) được mã hoá với khóa dùng chung của SS và được dùng để bảo vệ những giao dịch sau này.
Trong lúc cấp phép thành công, SS sẽ đăng ký với mạng. Điều đó sẽ thiết lập kết nối quản lý thứ cấp của SS và xác định những khả năng có liên quan đến cài đặt kết nối và quá trình hoạt động MAC. Phiên bản IP được sử dụng với kết nối quản lý thứ cấp cũng được xác định trong thời gian đăng ký.
- Tạo kết nối IP (tùy chọn):
Sau khi đăng ký, SS giành được một địa chỉ IP qua DHCP và thiết lập thời gian trong ngày qua đường ITP (Internet Time Protocol). Server DHCP cũng cung cấp địa chỉ của server TFTP (Trivial File Transfer Protocol), từ đó SS có thể yêu cầu một file cấu hình. File này cung cấp một giao diện chuẩn đưa ra thông tin cấu hình đặc trưng của nhà cung cấp.
- Cài đặt kết nối:
Nhìn tổng thể, việc cài đặt các luồng dịch vụ trong IEEE 802.16-2004 được khởi tạo bởi BS trong thời gian khởi tạo SS. Tuy vậy, các luồng dịch vụ có thể cũng được thiết lập động bởi BS hoặc SS. Điển hình SS chỉ khởi tạo các luồng dịch vụ nếu có một
kết nối được báo hiệu động như một SVC (switched virtual connection) từ một mạng ATM. Sự thiết lập các luồng dịch vụ được thực hiện thông qua một giao thức “three- way handshaking" (bắt tay ba bước) mà tại đó yêu cầu thiết lập luồng dịch vụ được đáp lại và sự đáp lại đó được xác nhận. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Chất lượng dịch vụ trong 802.16-2004
Mạng băng rộng là nơi cung cấp rất nhiều loại dịch vụ với các yêu cầu khác nhau. Vì thế mà QoS chính là một vấn đề cơ bản đối với các mạng băng rộng. So với các mạng băng rộng không dây khác, ưu điểm lớn của 802.16 là nó hỗ trợ rất tốt vấn đề QoS. Một loạt các tính năng đảm bảo cơ chế QoS cho các loại dịch vụ khác nhau gồm cả âm thanh, hình ảnh. 802.16 cho phép các nhà cung cấp dịch vụ quản lí được lưu lượng đối với từng thuê bao, dựa vào các thỏa thuận đã cam kết.
Chất lượng dịch vụ trong 802.16 phụ thuộc vào ba yếu tố sau:
- Giao thức MAC trong 802.16 hoạt động hướng kết nối (connection- oriented). Mỗi một gói tin trong 802.16 đều được đưa vào một kết nối cụ thể, kết nối này là kết nối ảo, được xác định bởi tham số CID. Việc tạo nên các kết nối ảo này khiến các gói tin được gửi đi một cách hiệu quả và nhanh chóng. Nó giống như các mạch ảo trong ATM.
- Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant: Cơ chế cấp phát băng thông Request/Grant làm tăng hiệu quả sử dụng băng thông của hệ thống, đặc biệt là các hệ thông mà có nhiều thuê bao. Trong cơ chế này, SS yêu cầu lượng băng thông cấp phát từ BS thông qua một số các phương thức khác nhau. BS sẽ cấp phát băng thông bằng cách cấp phát các timeslot tới các SS có yêu cầu.
- Phân loại dịch vụ : Giống như mọi hệ thống hỗ trợ tốt QoS khác, việc phân loại