1.6.1.4TTG (Tx/Rx Transition Gap)
Khi các slot DL-BURST được truyền đi hết, kết thúc TDD DL-subframe chuyển sang TDD UL-subframe bằng một khoảng TTG (Tx/Rx Transition Gap).
Trong khoảng này, theo trục thời gian, BS chuyển từ chế độ truyền (Tx - tranmistion) sang chế độ nhận (Rx - Receive). BS không truyền nhưng cho phép sóng mang của chế độ phát BS giảm xuống và ăng ten Rx/Tx được kích hoạt, chế độ thu của BS hoạt động. Sau khoảng này, đầu nhận SS sẽ tìm kiếm những ký tự đầu tiên của burst uplink.
Tại khoảng này, BS chuyển từ chế độ truyền (Tx) sang chế độ nhận (Rx), tức là các SS bắt đầu có thể truyền tin lên BS theo thứ tự đã được quy định tại UL-MAP trong DL-Subframe.
1.6.2 TDD Uplink-subframe
Gồm nhiều khoảng thời gian khác nhau, một hoặc nhiều UL PHY PDU, từ các SS khác nhau truyền tới BS.
32
Hình 1.20: DL Subframe [1]
1.6.2.1Initial Ranging Opportunities
Khung TDD UL-subframe được bắt đầu bằng “Initial Ranging Opportunities” để xác định các tham số truyền dẫn chính xác, như độ lệch về thời gian và băng thông yêu cầu, đủ để SS gửi thông tin được đến BS.
Quá trình thực hiện: SS gửi yêu cầu (chứa thông tin yêu cầu về băng thông, QoS) với mức năng lượng thấp nhất tới BS, nếu SS không nhận được phản hồi từ phía BS thì tức là mức năng lượng đó chưa đủ để yêu cầu tới được BS, do đó, SS sẽ gửi lại yêu cầu với mức năng lượng cao hơn và cứ thế cho đến khi nó dùng mức năng lượng tối đa để hiệu chỉnh năng lượng truyền (giảm nhiễu) đến BS.
1.6.2.2RequestContentionOpportunities
Tại Contention Bandwidth Request, các SS tranh chấp đường truyền để gửi yêu cầu bằng các slot yêu cầu cung cấp băng thông để truyền. Các SS mới muốn tham gia vào mạng hoặc SS đã có kết nối từ trước nhưng bị hoãn 1 thời gian thì xin cấp lại “lịch quy định thời gian được truyền”, độ rộng của slot được phép truyền. BS nhận được yêu cầu sẽ thực hiện thủ tục phân chia băng thông mạng sau đó gửi tới các SS để các SS biết thứ tự và tự động truyền tại TDD frame tiếp theo.
1.6.2.3UL-BURST
Tiếp theo, các SS sẽ truyền các slot UL-BURST theo thứ tự đã được quy định, trong UL-BURST chứa thông tin SS đó muốn gửi lên BS.
1.6.2.4RTG (Rx/Tx Transition Gap)
Cuối cùng, TDD UL-subframe được kết thúc với RTG (Rx/Tx Transition Gap), trong khoảng này, BS chuyển từ chế độ nhận (Rx) về chế độ truyền (Tx) để bắt đầu truyền TDD frame tiếp theo.
33
1.7 KIẾN TRÚC QoS VÀ QoS SCHEDULING
Một trong những chức năng quan trọng nhất của lớp MAC trong WiMAX là đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS – Quality of Service) theo yêu cầu cho các MAC PDU của các luồng dịch vụ khác nhau, càng đáng tin cậy càng tốt theo các điều kiện tải của hệ thống. Kiểm soát QoS mạnh hơn bằng cách sử dụng một kiến trúc MAC hướng kết nối, tất cả các kết nối downlink và uplink được kiểm soát bởi BS. Trước khi bắt đầu truyền dữ liệu, BS và các SS thiết lập kết nối, giữa hai lớp MAC ngang hàng. Mỗi kết nối được xác định bởi một định danh kết nối (CID – Connection Identifier), như là một địa chỉ tạm thời cho việc truyền dữ liệu qua các liên kết cụ thể.
1.7.1 Kiến trúc QoS
WiMAX định nghĩa khái niệm về luồng dịch vụ. Luồng dịch vụ là dòng một chiều của gói tin với một tập các thông số QoS và được xác định bởi một định danh luồng dữ liệu (SFID - Service Flow Identifier). Các thông số QoS có thể bao gồm độ ưu tiên về lưu lượng, tốc độ lưu lượng tối đa duy trì được, tốc độ burst tối đa, kiểu lập lịch, độ trễ tổng cộng, kiểu đơn vị dữ liệu tổng dịch vụ, cơ chế yêu cầu băng thông được sử dụng, quy tắc truyền PDU. Luồng dịch vụ có thể được cung cấp thông qua hệ thống quản lý mạng hoặc được tạo động thông qua các cơ chế truyền tín hiệu được định nghĩa. Các BS đưa ra SFID và ánh xạ với các CID.
Hình 1.21: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16
Bộ lập lịch DL tại BS: mỗi kết nối DL (với một CID riêng) có một hàng đợi gói tin tại BS. Đối với mỗi khung, dựa theo các thông số QoS và trạng thái của hàng đợi, bộ lập lịch DL tại BS lựa chọn từ hàng đợi DL các gói tin SDU tiếp theo để truyền tới SS.
34
Bộ lập lịch UL tại BS: Các yêu cầu băng thông được BS sử dụng để ước lượng gói tin trong hàng đợi của các kết nối UL. Dựa vào sự khác nhau giữa băng thông yêu cầu và băng thông được cấp, bộ lập lịch UL của BS tính backlog trong mỗi kết nối UL, và phân bổ băng thông UL tiếp theo dựa vào các thông số QoS của lớp dịch vụ của kết nối.
Bộ lập lịch UL tại SS: mặc dù việc cấp băng thông dựa trên các yêu cầu của mỗi kết nối, BS cấp băng thông UL tổng hợp cho mỗi SS giống nhau. SS không biết bao nhiêu băng thông được cung cấp bởi BS cho các kết nối của nó. Do đó, bộ lập lịch SS được yêu cầu trong mỗi SS để phân phối lại theo thông số QoS của lớp dịch vụ trong mỗi kết nối.
1.7.2 QoS Scheduling
Khi một kết nối giữa BS và SS được thiết lập, một loạt dịch vụ với những tham số QoS được tạo ra cho kết nối. Những thuật toán lập lịch là kỹ thuật xử lý dữ liệu để hỗ trợ bộ lập lịch MAC cho việc truyền dữ liệu trên kết nối. BS điều khiển việc lập lịch cho cả chiều uplink và chiều downlink. Bộ lập lịch tính toán yêu cầu về băng thông, khoảng thời gian chờ thích hợp cấp phát băng thông cho chiều UL và chiều DL. Chiều DL thực hiện truyền quảng bá và bộ lập lịch điền thông tin vào trong mỗi burst dựa trên các thông số của khung trong hàng đợi. Trong chiều UL, bộ lập lịch sử dụng biểu đồ cấp phát phức tạp hơn so với yêu cầu giữa BS và các SS riêng biệt. BS chứa tất cả các yêu cầu tài nguyên khả dụng. Do đó, bộ lập lịch DL đơn giản hơn bộ lập lịch UL. Bộ lập lịch DL hay lập lịch UL hay bộ điều khiển đầu vào hay chính sách lưu lượng đều được quy định trong chuẩn IEEE 802.16.
Mỗi dịch vụ lập lịch có cơ chế để hệ thống mạng sử dụng để cấp đường truyền lên UL và đường truyền xuống DL riêng cho các gói tin. Để hỗ trợ các ứng dụng, dịch vụ WiMAX định nghĩa 05 kiểu dịch vụ lập lịch được hỗ trợ bởi các BS MAC lập lịch để truyền dữ liệu qua kết nối.
1.7.2.1UGS Scheduling (Unsolicited Grant Service Scheduling)
Dịch vụ cấp phát tự nguyện (UGS - Unsolicited Grant Service): có độ ưu tiên cao nhất, được sử dụng để hỗ trợ luồng dữ liệu thời gian thực với các gói dữ liệu có kích thước cố định với yêu cầu cao như thoại PCM và VoIP. Các gói dịch vụ là đồng bộ (cố định độ dài và tốc độ dữ liệu), nên không cần SS phải yêu cầu băng thông cho mỗi gói tin, nhưng thay vì đó các BS với các thông số được xác định ngay khi kết nối. Kích thước băng thông cung cấp được tính theo BS dựa trên tỷ lệ lưu lượng tối thiểu, và khoảng thời gian cung cấp gói tin đến. Do BS cung cấp các khoảng cấp phát dữ liệu có kích cỡ cố định tại các khoảng thời gian định kỳ, điều này giúp loại bỏ bao phí và thời gian trễ của các yêu cầu SS. Các thông số kỹ thuật QoS cho lưu lượng truy cập: tỷ lệ lưu lượng tối thiểu dành riêng, độ trễ tối đa, và độ trễtrung bình.
35
1.7.2.2rtPS Scheduling (Real-time Polling Service Scheduling)
Dịch vụ thăm dò thời gian thực (rtPS - Real-time Polling Service) có độ ưu tiên cao thứ hai và được sử dụng để hỗ trợ lưu lượng VBR (các gói dữ liệu có kích thước thay đổi nhưng được phát ra tại các khoảng thời gian định kỳ) với yêu cầu trễ như dòng đa phương tiện MPEG (Moving Pictures Experts Group). Dịch vụ này đòi hỏi nhiều yêu cầu cao hơn UGS nhưng hiệu quả hơn với việc kích thước các gói tin đến là không cố định giúp đạt hiệu suất vận chuyển dữ liệu thời gian thực tối ưu, BS phải poll kết nối của lớp này định kỳ (unicast polling) để hỏi băng thông cần. Các thông số lưu lượng QoS: tỷ lệ tối thiểu dành cho lưu lượng, tỷ lệ lưu lượng tối đa có thể duy trì, và độ trễ tối đa.
1.7.2.3nrtPS Scheduling (Non real-time Polling Service Scheduling)
Dịch vụ phi thời gian thực (nrtPS - Non real-time Polling Service), tương tự rtPS, ngoại trừ việc nrtPS được thiết kế dành cho lưu lượng không yêu cầu độ trễ cụ thể, như lưu lượng của FTP, mà đòi hỏi phải hỗ trợ gói tin có kích thước thay đổi. Dịch vụ nrtPS giống dịch vụ BE ngoại trừ việc nrtPS có thể thêm băng thông phân bổ không theo định kỳ. Trong dịch vụ nrtPS, BS cung cấp các cuộc kiểm tra vòng uplink unicast đều đặn (trong khoảng thời gian là một giây trở xuống) nhằm đảm bảo luồng dịch vụ nhận được các yêu cầu thậm chí ngay khi mạng bị tắc nghẽn. Ngoài ra, SS được cho phép sử dụng các cơ hội yêu cầu tranh chấp, nghĩa là SS có thể sử dụng các cơ hội tranh chấp cũng như các cơ hội yêu cầu unicast. Các thông số lưu lượng dịch vụ bắt buộc để xác định dịch vụ này là tỷ lệ tối thiểu dành riêng lưu lượng, tỷ lệ lưu lượng tối đa có thể duy trì và độ ưu tiên lưu lượng, và chính sách/ yêu cầu truyền.
1.7.2.4BE Scheduling (Best Effort Scheduling)
Dịch vụ nỗ lực tốt nhất (BE - Best Effort) được dùng để hỗ trợ các dòng dữ liệu, chẳng hạn như duyệt web (dịch vụ HTTP và TELNET) mà không yêu cầu đảm bảo dịch vụ tối thiểu như QoS. Dịch vụ BE chỉ dùng cho yêu cầu băng thông hướng kết nối. SS có thể sử dụng các cơ hội tranh chấp cũng như các cơ hội yêu cầu unicast. BS không có trách nhiệm kiểm tra vòng yêu cầu uplink unicast cho các SS BE. Do đó, có những khoảng thời gian dài chạy mà không có gói tin BE nào được truyền, nhất là khi mạng đang ở trạng thái tắc nghẽn. Số lượng các khe nhỏ trong các khung phụ UL mà các SS cần phải chia sẻ để đạt yêu cầu là cố định. Sự gia tăng số lượng các khe chỉ để tăng băng thông khả dụng cho truyền tải dữ liệu. Lưu lượng BE bị ảnh hưởng khi băng thông bị thiếu, sự xung đột các yêu cầu có thể làm hỏng một số khe và xảy ra tranh chấp gây ra sự chậm trễ nghiêm trọng đối với một số SS. Các thông số lưu lượng dịch vụ bắt buộc để xác định dịch vụ này là tỷ lệ lưu lượng tối đa có thể duy trì, độ ưu tiên lưu lượng, và yêu cầu / chính sách truyền.
36
1.7.2.5ertPS Scheduling (Extended Real-Time Polling Service Scheduling)
Bốn dịch vụ lập lịch không thích hợp cho các dịch vụ như thoại qua giao thức Internet. Giải quyết vấn đề này, IEEE 802.16 giới thiệu dịch vụ lập lịch ertPT. Dịch vụ thời gian thực mở rộng (ertPS Scheduling - Extended Real-Time Polling Service Scheduling) dựa vào hiệu suất của cả UGS và rtPS. BS cung cấp các phần cấp phát unicast theo một kiểu không yêu cầu như UGS, do đó tiết kiệm thời gian trễ của một yêu cầu băng thông. Tuy nhiên, trong khi UGS phân bổbăng thông cố định, còn trong ertPS, băng thông phân bổ có thể thay đổitheo thời gian, tăng hoặc giảm dựa vào trạng thái của các hàng đợi. Dịch vụ ertPS thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực có tốc độ thay đổi với những yêu cầu tốc độ dữ liệu và độ trễ (ví dụ VoIP).
Bảng 3: So sánh các thông số của các loại QoS [06]
Loại QoS Ứng dụng Đặc tính kỹ thuật QoS Dịch vụ cấp phát
tự nguyện (UGS)
VoIP - Tốc độ duy trì tối đa - Dung sai trễ tối đa - Dung sai jitter Dịch vụ thời gian
thực (rtPS)
Audio hoặc Video - Tốc độ dành riêng tối thiểu - Tốc độ duy trì tối đa - Dung sai trễ tối đa - Ưu tiên lưu lượng Dịch vụ thời gian
thực mở rộng (ertPS)
Thoại với dò tìm hoạt động (Voice with activity Detection)
- Tốc độ dành riêng tối thiểu - Tốc độ duy trì tối đa - Dung sai trễ tối đa - Dung sai jitter - Ưu tiên lưu lượng Dịch vụ phi thời
gian thực (nrtPS)
Giao thức truyền file (FTP – File Transfer Protocol)
- Tốc độ dành riêng tối thiểu - Tốc độ duy trì tối đa - Ưu tiên lưu lượng Dịch vụ tốt nhất
(BE)
Truyền dữ liệu, duyệt web,…
- Tốc độ duy trì tối đa - Ưu tiên lưu lượng
37
CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT LẬP LỊCH HỖ TRỢ QoS TRONG WIMAX
Quá trình lập lịch được định nghĩa như sự cấp phát giới hạn tài nguyên cho các nhiệm vụ theo thời gian, có thể tập trung hoặc phân tán. Lập lịch là một trong những quá trình quan trọng nhất trong hệ thống mạng IEEE 802.16.
Định nghĩa: Trong hệ thống mạng IEEE 802.16, vấn đề lập lịch được định nghĩa
như một chuỗi các khe cắm thời gian (time slots), nơi một time slot được gán cho mỗi quá trình truyền có thể có theo cách truyền trên cùng slot là không va chạm trong khi các yêu cầu QoS được đáp ứng một cách hiệu quả và tổng thời gian để lập lịch là được giảm.
Cách thông thường để phân loại cơ chế lập lịch của chuẩn IEEE 802.16 là phân loại theo kiểu tập trung hoặc phân tán. Việc lập lịch thường được đề nghị cho lưu lượng truy cập mạng nội bộ (lưu lượng giữa các SS) và lưu lượng truy cập internet (lưu lượng giữa một SS và rất nhiều BS hoặc một gateway).
- Lập lịch kiểu tập trung: một trạm điều khiển và xem xét tới tất cả các nguồn tài nguyên và yêu cầu, hầu hết thời gian, ở BS và thực hiện phân chia tài nguyên và thông báo lại SS thông qua cây lập lịch với nguồn tại BS. Lập lịch kiểu tập trung bao gồm ba bước:
B1: Tập hợp các yêu cầu băng thông từ các SS.
B2: Xác định phân bố tài nguyên.
B3: Thông báo lại hệ thống mạng.
Tuy nhiên, trong lập lịch kiểu tập trung, thủ tục bắt tay ba bước là không cần thiết, do việc truyền tải dữ liệu là không va chạm. Lập lịch kiểu tập trung phù hợp với mạng internet do quá trình truyền nhận liên tục, khả năng kết nối dữ liệu cao.
- Lập lịch kiểu phân tán: xảy ra sự cạnh tranh để sử dụng nguồn tài nguyên sẵn có và cần thiết phải có thủ tục bắt tay ba bước, thích hợp sử dụng trong mạng nội bộ. Lập lịch kiểu phân tán chia làm 2 loại:
Lập lịch phân tán có thể phối hợp: nhằm mục đích cung cấp miễn phí các thông tin trong quá trình truyền MSH-DSCH. Tất cả các nút truyền được thông qua thuật toán giả ngẫu nhiên để các thông tin là không va chạm với các thông tin khác trong khoảng cách two-hop (hai đầu truyền – nhận). Loại hình truyền là không liên tục.
Lập lịch phân tán không phối hợp: ít tin cậy vì các thông điệp MSH- DSCH có thể va chạm với nhau. Lập lịch phân phối không phối hợp
38
thường được sử dụng trong thiết lập nhanh mạng ad-hoc và trong các hoàn cảnh lưu lượng có vòng công suất thấp.
Các thuật toán lập lịch gói tin: chia làm 2 loại - Đối với Wireless:
Round Robin (RR)
Strict Priority (SS)
Weighted Round Robin (WRR)
Weighted Fair Queuing (WFQ)
Các thuật toán hỗ trợ QoS cho các ứng dụng chạy thời gian thực cho hệ thống WiMAX.
- Các thuật toán khác hoạt động theo cách riêng, thuật toán định dạng kỹ thuật dựa trên mức độ ưu tiên, và sao cho phù hợp với kết nối, các thuật toán khác nhau hoạt động tại các lớp khác nhau.
Tuy nhiên, chuẩn IEEE 802.16 không chỉ rõ các thuật toán lập lịch dành riêng cho các dịch vụ rtPS, nrtPS và BE.
2.1 CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ
QoS (Quality of Service – Chất lượng dịch vụ) là khả năng phân biệt luồng lưu lượng để mạng có các phản ứng khác nhau với các kiểu luồng lưu lượng khác nhau. Hay nói cách khác, QoS là khả năng cung cấp các yêu cầu chất lượng của các dịch vụ và hiệu năng tổng thể của mạng cho mỗi loại dịch vụ. Tính năng chính của QoS là để Tìm đường qua mạng nhằm cung cấp cho dịch vụ được yêu cầu(xác định thứ tự truyền, lập lịch truyền các gói tin giữa BS và các SS) và duy trì hiệu quả hoạt động của dịch vụ.QoS được sử dụng để đảm bảo việc truyền dữ liệu với thời gian trễ tối thiểu và cung cấp băng thông cho các ứng dụng truyền thông đa phương tiện thời gian thực.