Chương này đó xột giao diện vụ tuyến trờn cơ sở hai lớp MAC và PHY của WiMAX cố định theo chuẩn IEEE 802.16e-2004. Cỏc lớp con của MAC được xột tổng quan. PHY của IEEE 802.16e -2005 cú bốn dạng: WirlessMAN-SC (điều chế đơn súng mang), WirelessMAN-SCa (điều chế đơn súng mang), WirelessMAN-OFDM và WirelessMAN- OFDMA. Trong đú WirlessMAN-SC PHY đảm bảo truyền trực xạ đơn súng mang trong dải tần từ 10 đến 66 GHz, ba mụ hỡnh PHY cũn lại cho phộp truyền dẫn khụng trực xạ trong dải tần thấp hơn 11 GHz. Hai dạng PHY: WirelessMAN-OFDM và WirelessMAN- OFDMA được WiMAX tiếp nhận đó được khảo sỏt cụ thể trong chương này.
Chương 3
LỚP MAC CỦA WIMAX DI DỘNG
3.1. MỞ ĐẦU
Tiờu chuẩn WIMAX/IEEE 802.16e đựơc xõy dựng cho cỏc dịch vụ băng rộng bao gồm: thoại, số liệu và video. Lớp MAC cú thể đảm bảo lưu lượng dạng cụm với yờu cầu tốc độ đỉnh cao trong khi vẫn đồng thời hỗ trợ lưu lượng luồng và lưu lượng thoại nhậy cảm trễ trờn cựng một kờnh. Cỏc tài nguyờn do bộ lập biểu MAC ấn định cho đầu cuối cú thể thay đổi từ một khe thời gian đến toàn bộ khung vỡ thế cung cấp dải động thụng lượng rất lớn cho từng mỏy đầu cuối tại từng thời điểm. Ngoài ra thụng tin ấn định tài nguyờn được mang trong cỏc bản tin MAP tại đầu khung, bộ lập biểu cú thể thay đổi hiệu quả việc ấn định tài nguyờn theo từng khung để thớch ứng tớnh chất cụm của lưu lượng.
IEEE 802.16 MAC hỗ trợ hai kiểu kiến trỳc mạng: điểm đa điểm (PMP:Point to Multipoint) và mạng hỗn hợp. Hỡnh 3.1 minh họa mạng PMP tiờu chuẩn. Cỏc đầu cuối trong mạng PMP được gọi là MSS (Mobile Subscriber station). Cỏc MSS khụng thụng tin trực tiếp với nhau.
Internet MSS1 MSS2 MSS3 BS Hỡnh 3.1. Chế độ PMP trong cỏc mạng 802.16
Hỡnh 3.2 minh họa chế độ mạng 802.16 hỗn hợp. Khụng như chế độ mạng 802.16 PMP là bắt buộc, chế độ mạng 802.16 hỗn hợp chỉ là tựy chọn. Sự khỏc nhau giữa chế độ PMP và chế độ hỗn hợp là ở chỗ trong PMP lưu lượng chỉ đựơc truyền giữa BS và MSS, cũn trong chế độ hỗn hợp, lưu lượng cú thể được định tuyến đến cỏc MSS khỏc thụng qua MSS hoặc truyền trực tiếp giữa cỏc MSS.
Internet MSS1 MSS3 BS Hỡnh 3.2. Chế độ mạng 802.16 hỗ hợp 3.2. CẤU TRÚC LỚP MAC
Nhiệm vụ chớnh của lớp MAC (Medium Access Control) là quản lý cỏc tài nguyờn vụ tuyến của giao diện vụ tuyến một cỏch hiệu quả. Hỡnh 3.3 cho thấy cấu trỳc của lớp MAC.
Lớp MAC bao gồm ba lớp con:
1. Lớp con hội tụ đặc thự dịch vụ (SSCS: Service Specific Convergence Sub-
layer:. Cung cấp giao diện với cỏc phần tử lớp trờn. Lớp này thực hiện cỏc chức năng sau:
Tiếp nhận PDU từ cỏc lớp cao hơn
Sắp xếp và chuyển đổi số liệu nhận từ mạng ngoài thụng qua CS SAP vào
cỏc MAC SDU. Quỏ trỡnh này bao gồm: phõn loại và xử lý (nếu cần) cỏc PDU lớp cao hơn và liờn kết chỳng với một luồng dịch vụ MAC thớch hợp và nhận dạng kết nối (CID), tải tin, tiờu đề...
Hiện nay 802.16 định nghĩa hai tiờu chuẩn SSCS: ATM CS và CS gúi dựa trờn IP.
Ứng dụng
Bộ phõn loại
gúi DL Bộ lắp rỏp lại gúi UL Quản lý cấu hỡnh quản lý mạngHệ thống SSCS
Hàng đợi cho cỏc luồng QoS khỏc nhau
Đầu mỏy luồng dịch vụ
Quản lý
đường truyền ARQ Bộ lập biểu Bảo mật
Quản lý MAC Lập biểu cụm
đường xuống Xử lý cụm đường lờn
Điều khiển cho phộp kết nối Lớp vật lý CPS PHY
Hỡnh 3.3. Cấu trỳc lớp MAC của WiMAX
2. Lớp con phần chung MAC (CPS: Common Part Sub-Layer): Cung cấp cỏc chức năng lừi của MAC. Nú điều khiển truy nhập hệ thống, thiết lập và quản lý kết nối. Cỏc chức năng chớnh của lớp này như sau:
Đỏnh địa chỉ, thiết lập và duy trỡ kết nối
Kết cấu MAC PDU, phõn đoạn và lắp rỏp lại
Thực hiện ARQ
Lập biểu
Yờu cầu và ấn định băng thụng
Hỗ trợ cỏc sơ đồ PHY khỏc nhau
Phõn giải xung đột
Ranging và nhập mạng lần đầu
Đảm bảo QoS dựa trờn luồng dịch vụ
3. Lớp con an ninh (PS: Privacy Sub-Layer): Đảm bảo cỏc chức năng nhận thực, trao đổi khúa và mật mó húa. Hiện nay chuẩn 802.16 chứa hai giao thức thành phần sau:
Giao thức đúng bao để mật mó gúi số liệu trong khi thụng tin. Giao thức này định nghĩa cặp giải thuật nhận thực và mật mó số liệu và cỏc quy tắc ỏp dụng cỏc giải thuật này cho MAC PDU
Giao thức quản lý khúa để phõn phối số liệu khúa an ninh từ BS đến
MSS. BS cú thể sử dụng giao thức này để ỏp đặt truy nhập cú điều kiện
đến cỏc dịch vụ mạng
Túm lại MAC CPS thực hiện chức năng chớnh như: truy nhập hệ thống, yờu cầu và ấn định băng thụng, thiết lập và quản lý kết nối, hỗ trợ chuyển giao. Phần dưới đõy sẽ khảo sỏt kỹ cỏc tớnh năng cuả MAC CPS.
3.3. LỚP CON PHẦN CHUNG CỦA MAC (MAC CPS)
802.16 MAC là định hướng theo kết nối (CO: Connection Oriented). Toàn bộ truyền số liệu xẩy ra trong ngữ cảnh (Context) của cỏc kết nối. Mỗi kết nối được liờn kết với một luồng dịch vụ, nú quy định cỏc thụng số QoS để trao đổi cỏc PDU.Trong quỏ trỡnh nhập mạng, hai kết nối bắt buộc và một kết nối tựy chọn được thiết lập cho MSS trờn cả đường xuống lẫn đường lờn. Ba kết nối này phản ỏnh ba mức độ yờu cầu QoS cho cỏc mục đớch quản lý. Kết nối thứ nhất được gọi là kết nối cơ sở. Nú đựơc sử dụng để trao đổi thụng tin nhậy cảm trễ và ngắn như: lệnh khởi động lại và yờu cầu hồ sơ cụm. Kết nối thứ hai được gọi là kết nối sơ cấp, nú đựơc sử dụng để mang thụng tin dài hơn và ớt nhạy cảm trễ hơn như cỏc cấu hỡnh dịch vụ động. Kết nối thứ ba được gọi là kết nối thứ cấp. Nú được sử dụng để mang thụng tin khụng nhạy cảm trễ như giao thức lập cấu hỡnh mỏy tự động (DHCP). Mỗi kết nối được gỏn một số nhận dạng 16 bit cho phộp phõn biệt 64 K cỏc kết nối trờn kờnh DL và UL.
3.3.1. Khuụn dạng MACPDU.
Tiờu đề MAC Tải tin
(Độ dài khả biến, tựy chọn)
CRC (Tựy chọn) H T (1 ) E C ( 1 ) Kiểu (6) R sv (1 ) C I( 1 ) E K S (2 ) L E N M S B (3 ) LEN LSB(8) CID(8) CID LSB(8) HCS(8) H T (1 ) E C ( 1 ) T (3) BR MSB(3) BR LSB(8) CID (8) CID LSB(8) HCS(8)
Tiờu đề MAC chung Tiờu đề yờu cầu băng thụng
Hỡnh 3.4. Khuụn dạng MACPDU
MAC PDU chứa một tiờu đề cú độ dài cố định và cú thể cú hoặc khụng tải tin và CRC 32 bit.
Cỏc trường trong tiờu đề MACPDU đựơc cho trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Cỏc trường trong tiờu đề MAC PDU
Trường Mụ tả
HT Kiểu tiờu đề: 0=tiờu đề chung; 1= tiờu đề yờu cầu băng thụng (BR)
EC Điều khiển mật mó: cú mật mó tải tin hay khụng. Tiờu đề BR sẽ đặt
trường này vào 0
T (kiểu) Trường này chỉ thị cỏc kiểu tiờu đề con và cỏc tải tin con đặc biệt trong tải tin của bản tin
Rsv Dành trước
CI Chỉ thị kiểm tra: bản tin cú chứa CRC hay khụng
EKS Chuỗi khúa mật mó: thụng số để mật mó tải tin
LEN Độ dài MAC PDU được đo bằng byte bao gồm cả tiờu đề và CRC
CID Connection ID: nhận dạng kết nối
HCS Chuỗi kiểm tra tiờu đề: chuỗi được tớnh toỏn theo cụng thức quy định
trước
BR Yờu cầu băng thụng: Số byte được MSS yờu cầu cho đường lờn
Nhiều MAC PDU cú thể múc nối với nhau vào một cụm truyền dẫn để hỗ trợ truyền dẫn số liệu nhanh. Một MAC SDU cú thể đươc chia thành nhiều PDU để sử dụng hiệu quả băng thụng theo cỏc yờu cầu QoS. Ngoài ra nhiều MAC SDU cú thể được gúi chung vào một MAC PDU để sử dụng hiệu quả băng thụng.
3.3.2. Cỏc dịch vụ MAC
3.3.2.1. Hỗ trợ chất lượng dịch vụ (QOS)
Nhờ việc sử dụng đường truyền vụ tuyến nhanh, khả năng khụng đối xứng đường xuống/đường lờn, tớnh hạt nhỏ của tài nguyờn và cơ chế ấn định tài nguyờn linh hoạt, WiMAX cú thể đỏp ứng cỏc yờu cầu QOS cho rất nhiều dịch vụ số liệu và ứng dụng.
Trong lớp MAC của WiMAX di động, QOS được cung cấp qua cỏc cỏc luồng dịch vụ như trờn hỡnh 3.5.
Đõy là luồng gúi đơn hướng được đảm bảo bởi một tập cỏc thụng số QOS. Trước khi cung cấp một kiểu dịch vụ nào đú, đầu tiờn BS và đầu cuối của người sử dụng phải thiết lập một liờn kết logic đơn hướng giữa cỏc MAC đồng cấp (được gọi là kết nối). Khi này MAC đầu cuối liờn kết cỏc gúi sẽ đưa vào một luồng dịch vụ thụng qua giao diện MAC để đưa lờn kết nối. Cỏc thụng số QOS liờn quan với luồng dịch vụ sẽ quyết định thứ tự và lập biểu truyền dẫn trờn giao diện vụ tuyến.Vỡ thế QOS định hướng theo kết nối này sẽ đảm bảo điều khiển chớnh xỏc trờn giao diện vụ tuyến. Vỡ giao diện vụ tuyến thường là nỳt cổ chai, vỡ thế QOS theo kết nối cú thể đảm bảo điều khiển hiệu quả đầu cuối đầu cuối. Cú thể quản lý động cỏc thụng số luồng dịch vụ thụng qua cỏc bản tin MAC để để đỏp ứng nhu cầu dịch vụ động. Luồng dịch vụ dựa trờn cơ chế QOS được ỏp dụng cho cả DL và UL. WiMAX di động hỗ trợ nhiều dịch vụ và ứng dụng theo cỏc yờu cầu QOS khỏc nhau. Cỏc QOS này được cho trong bảng 3.5.
B ộ p hõ n l oạ i B ộ l ập b iể u MSS1 MSS2
PDU (SFID, CID) Cỏc kết nối MAC
(Cỏc thụng số QoS)
PDU (SFID, CID
BS
Cỏc luồng dịch vụ
Ký hiệu:
SFID: Service Flow ID: Nhận dạng luồng dịch vụ CID: Connection ID: Nhận dạng kết nối
Hỡnh 3.5. Hỗ trợ QoS của WiMAX di động
Bảng 3.2. QoS và cỏc ứng dụng của WiMAX
Loại QoS Ứng dụng Đặc tả QoS
UGS (Unsolicited Grant Servic) Dịch vụ cho phộp khụng cần khẩn nài
VoIP Tỷ lệ treo cực đại
Dung sai trễ cực đại Dung sai Jitter rtPS (Real-Time Polling Service)
Dịch vụ thăm dũ thời gian thực
Âm thanh và
video luồng
Tỷ lệ dành trứơc cực tiểu
Tỷ lệ treo cực đại Dung sai trễ cực đại Ưu tiờn lưu lượng
ErtPS (Extended Real-Time
Polling Service)
Dịch vụ thăm dũ thời hian thực mở rộng Thoại với phỏt hiện tớch cực (VoIP) Tốc độ dành trước cực tiểu Tốc độ treo cực đại Dung sai trễ cực đại Dung sai Jitter Ưu tiờn lưu lượng
nrtPS (Non Real-Time Polling Service)
Dịch vụ thăm dũ phi thời gian thực Giao thức chuyển File (FTP) Tốc độ dành trước cực tiểu Tốc độ treo cực đại Ưu tiờn lưu lượng BE (Best Effort)
Nỗ lực nhất
Chuyển File, Trỡnh duyệt...
Tốc độ treo cực đại Ưu tiờn lưu lượng
3.3.2.2. Dịch vụ lập biểu MAC
Dịch vụ lập biểu MAP được thiết kế để chuyển phỏt hiệu quả cỏc dịch vụ số liệu băng rộng như: thoại, số liệu và video trờn kờnh băng rộng thay đổi theo thời gian. Lập biểu MAC cú cỏc thuộc tớnh sau:
Bộ lập biểu số liệu nhanh: Bộ lập biểu MAC phải ấn định hiệu quả cỏc tài nguyờn khả dụng để đỏp ứng lưu lượng số liệu kiểu cụm và cỏc điều kiện kờnh thay đổi theo thời gian. Cỏc gúi số liệu được liờn kết với cỏc luồng dịch vụ bởi cỏc thụng số QOS được định nghĩa rừ ràng tại lớp MAC để bộ lập biểu cú thể quyết định chớnh xỏc trỡnh tự truyền dẫn gúi trờn giao diện vụ tuyến. Kờnh CQICH cung cấp thụng tin hồi tiếp nhanh cho bộ lập biểu để nú chọn điều chế và mó húa kờnh phự hợp cho từng ấn định. Điều chế và mó húa thớch ứng cựng với HARQ đảm bảo truyền dẫn ổn định trờn kờnh thay đổi theo thời gian.
Lập biểu cho cả DL và UL: Dịch vụ lập biểu được cung cấp cho cả lưu lượng
DL và UL. Để bộ lập biểu MAC cú thể ấn định hiệu quả tài nguyờn và cung cấp QoS cần thiết trờn DL và UL, cần đảm bảo thụng tin hồi tiếp về cỏc điều kiện lưu lượng và cỏc yờu cầu QoS một cỏch chớnh xỏc và kịp thời. Cơ chế yờu cầu băng thụng nhiều đường lờn như yờu cầu băng thụng trờn kờnh định cực ly, yờu cầu cừng và thăm dũ được thiết kế để hỗ trợ cỏc yờu cầu băng thụng đường lờn. Luồng dịch vụ UL quy định cơ chế hồi tiếp cho từng kết nối UL để đảm bảo hành vi của bộ lập biểu khả dự đoỏn. Ngoài ra, việc sử dụng cỏc kờnh con UL trực giao dẫn đến khụng xẩy ra nhiễu nội ụ. Quỏ trỡnh lập biểu UL cú thể ấn định tài nguyờn hiệu quả hơn và thực hiện QoS tốt hơn
Ấn định tài nguyờn động: MAC hỗ trợ ấn định tài nguyờn tần số-thời gian trờn
cả DL lẫn UL theo từng khung. Ấn định tài nguyờn được truyền trong cỏc bản tin MAC tại đầu mỗi khung. Vỡ thế cú thay đổi ấn định tài nguyờn theo từng khung để đỏp ứng cỏc điều kiện lưu lượng và kờnh. Ngoài ra khối lượng tài
nguyờn cú thể thay đổi từ khe đến khung. Việc ấn định tài nguyờn nhanh và cấu trỳc hạt mịn này cung cấp QoS tốt nhất cho lưu lượng.
Định hướng theo QoS: Bộ lập biểu MAC xử lý truyền tải số liệu theo kết nối.
Mỗi kết nối được liờn kết với một dịch vụ số liệu bởi một tập cỏc thụng số QoS để xỏc định cỏc đặc điểm hành vi. Bằng khả năng ấn định tài nguyờn động cả trờn DL lẫn UL, bộ lập biểu cú thể cung cấp QoS tốt hơn cho cả lưu lượng DL và UL. Ngũai ra việc sử dụng lập biểu UL cũn cho phộp: ấn định tài nguyờn hiệu qủa hơn, khả năng dự bỏo hiệu năng tốt hơn và thực thi QoS tốt hơn.
Ấn định chọn lọc tần số: Bộ lập biểu hoạt động trờn cỏc kiểu kờnh con khỏc
nhau. Đối với cỏc kờnh con phõn tập tần số (phõn tỏn trờn cỏc tần số khỏc nhau) như PUSC, trong đú cỏc súng mang con được phõn bố ngẫu nhiờn trờn băng thụng, cỏc kờnh con cú chất lương như nhau. Bộ lập biểu phõn tập tần số cú thể hỗ trợ tớnh hạt mịn và lập biểu tải nguyờn tần số-thời gian linh hoạt. Sử dụng sắp xếp liờn tục như AMC dẫn đến cỏc kờnh con cú suy hao khỏc nhau. Bộ lập biểu phõn tập tần số cú thể ấn định tài nguyờn cho người dựng di động đến cỏc kờnh con mạnh nhất. Bộ lập biểu chọn lọc tần số cú thể tăng cừơng dung lượng hệ thống bằng cỏch tăng phần nào thụng tin CQI trờn UL [10].
Bộ lập biểu khảo sỏt cỏc yếu tố sau để quyết định truyền dẫn cho khung/ấn định băng thụng cụ thể:
Dịch vụ được đặc tả cho luồng dịch vụ
Cỏc giỏ trị được ấn định cho cỏc thụng số QoS của luồng dịch vụ
Mức độ sẵn sàng số liệu cho truyền dẫn
Dung lượng của băng thụng được cấp phộp
Để lập biểu cho yờu cầu/cho phộp, 802.16 định nghĩa cỏc dịch vụ lập biểu và cỏc tựy chọn thăm dũ/cho phộp như trong bảng 3.3. Tuy nhiờn giải thuật lập biểu cụ thể là đặc thự của nhà cung cấp thiết bị và MAC chỉ cung cấp phương tiện thực hiện cỏc giải thuật lập biểu này.
Bảng 3.3. Cỏc tựy chọn lập biểu dịch vụ Kiểu Kiểu dịch vụ Yờu cầu cừng theo Lấy trộm băng thụng Thăm dũ
UGS Khụng được phộp
Khụng được phộp
Sử dụng một bit đặc biệt để yờu cầu thăm dũ đơn phương cho cỏc kết nối khụng phải UGS
rtPS Được phộp Được phộp Chỉ được phộp thăm dũ đơn phương
nrtPS Được phộp Được phộp Cú thể giới hạn một luồng dịch vụ đến thăm dũ
đơn phương thụng qua chớnh sỏch truyền dẫn/yờu cầu; trỏi lại tất cả cỏc dạng thăm dũ đều được phộp
3.3.2.3. Cơ chế yờu cầu và ấn định băng thụng
Khi MSS nhận thấy băng thụng được cấp phỏt khụng đủ, nú cần yờu cầu băng