2.1.4.2 .Topo hỡnh cõy
3.3 Quy hoạch mạng tớch hợp PON-WCN
3.3.1 Mụ hỡnh hệ thống PON-WCN tớch hợp
Trong kiến trỳc tớch hợp, WCN phục vụ nhƣ một mạng truy cập front-end và PON đƣợc mong đợi là mạng truyền dẫn backhaul. Nhƣ thể hiện trong hỡnh 5.1, trong kiến trỳc thể hiện trong [16], một đơn vị mạng quang (ONU) trong một PON và một BS khụng dõy cú thể đƣợc tớch hợp vào một hộp thiết bị duy nhất, đƣợc gọi là ONU- BS. Tớch hợp nhƣ vậy khụng chỉ làm giảm chi phớ phần cứng, mà cũn đạt đƣợc quy hoạch điều khiển chồng do ONU-BS xử lý đầy đủ thụng tin về yờu cầu băng thụng, cấp phỏt, và lập lịch gúi của cả ONU và BS khụng dõy, cỏc kỹ thuật tối ƣu cú thể đƣợc ỏp dụng cho cỏc yờu cầu băng thụng của đƣờng lờn trong mạng PON, phõn bổ băng thụng và lập lịch trỡnh gúi tin của đƣờng xuống trong mạng khụng dõy. Truyền dẫn kết hợp giữa cỏc cell đƣờng xuống cú thể đƣợc thiết lập thụng qua cỏc ONU-BS phõn tỏn trong việc cung cấp dữ liệu cho một SS. Cỏc điều kiện tiờn quyết thực hiện CT thụng qua kỹ thuật mó húa theo tần số hoặc khụng gian hoặc theo thời gian là sự hỗ trợ mạnh mẽ cho đơn vị điều khiển trung tõm. Nhờ khả năng điều khiển cơ động và kết hợp điều khiển tập chung của một thiết bị dõy quang (OLT) trong PON, kiến trỳc tớch hợp chỉ đỏp ứng nhu cầu này. Mục tiờu của tụi là khai thỏc cả lợi ớch về hiệu năng do CT đa tế bào cũng nhƣ ƣu điểm tƣơng tỏc do tớch hợp mạng khụng dõy và mạng quang.
Mụ hỡnh điểm-đa điểm (PMP) và thuộc tớnh quảng bỏ đƣờng xuống của PON thỳc đẩy việc triển khai cỏc CT đa tế bào. Cụ thể, OLT phỏt quảng bỏ dữ liệu đƣờng xuống tới cỏc ONU-BS, và mỗi ONU-BS liờn quan truyền một biểu tƣợng từ mó trực giao (hoặc gần nhƣ trực giao) cho tất cả ONU-BS khỏc dƣới sự kiểm soỏt của cỏc OLT. Vỡ vậy, Một SS nhận và tập trung nhiều phiờn bản của dữ liệu giống nhau từ mỗi ONU-BS liờn quan thụng qua cỏc kờnh vụ tuyến độc lập. Bằng cỏch hợp tỏc trong cỏc ONU-BS, hỡnh thành ảo cỏc mảng ăng-ten cú thể xem nhƣ một macro đƣợc phõn phối bởi hệ thống nhiều đầu vào một đầu ra (MISO). Một hệ thống MISO kể trờn mang lại lợi ớch đỏng kể về độ lợi phõn tập kết hợp và/hoặc độ lợi ghộp kờnh phõn chia theo khụng gian qua chế độ non-CT thụng thƣờng.
Hỡnh 5.1 Mụ hỡnh PON – WCN tớch hợp
3.3.1.1 Cỏc đối tượng chớnh trong PON-WCN tớch hợp
Một kiến trỳc mạng chung cho PON-WCN tớch hợp đƣợc thể hiện trong hỡnh 5.1, bao gồm cỏc thực thể chớnh sau đõy: một OLT, cỏc bộ chia quang, sợi quang, và cỏc ONU- BS. Với vai trũ là nỳt gốc của cấu trỳc cõy, OLT hoạt động nhƣ một bộ điều khiển/điều phối trung tõm của toàn mạng tớch hợp. Nú cú khả năng tớnh toỏn mạnh mẽ và thụng minh. OLT kết nối với mạng Internet toàn cầu thụng qua mạng đƣờng trục đụ thị khu vực nhƣ mạng quang đồng bộ (SONET), vƣợt ra ngoài mạng truy nhập. Để mở rộng từ OLT với cỏc loại sợi quang, một bộ chia quang thụ động kết nối đến cỏc ONU- BS thụng qua nhiều sợi quang. Ngoài ra với khả năng của BS truyền thống trong một hệ thống khụng dõy, ONU-BS đúng một vai trũ quan trọng trong việc đỏp ứng cỏc yờu cầu băng thụng, cấp cụng suất, lập lịch mà đƣợc xử lý bởi cả ONU và BS. Một PON cú khả năng cung cấp băng thụng thoại, dữ liệu, và cỏc dịch vụ video với khoảng cỏch xa hơn 20 km trong mạng [18].
3.3.1.2 Cỏc chế độ tớch hợp
Đó cú nhiều cỏch khỏc nhau trong việc tớch hợp một PON và một mạng lƣới khụng dõy, bao gồm peer-to-peer, overlay, and radio-over-fiber.
• Tớch hợp theo Peer-to-Peer
(NNIs) và cỏc cơ chế bỏo hiệu tớch hợp. Nú đề cập đến một sự kết hợp mềm giữa hai mạng. Cỏc ONU-BS hoạt động nhƣ cỏc thiết bị đƣờng biờn để kết nối một PON và WCN [16]. Một chức năng cầu là bắt buộc tại ONU-BS để chuyển mạch giữa một khung PON và một khung WCN. Đƣơng nhiờn, bỏo hiệu bổ sung đƣợc yờu cầu để phối hợp giữa cỏc ONU-BS phõn tỏn. Ngoài ra, độ trễ end-to-end sẽ phỏt sinh do chuyển đổi cầu, mapping địa chỉ ngƣời dựng, và độ trễ hàng đợi gõy ra bởi thiết kế phõn tỏn.
Tớch hợp theo Overlay
Overlay hội nhập là một sự kết hợp tƣơng đối chặt chẽ hơn giữa cỏc PON và WCN. Trong trƣờng hợp này, mỗi khung PON (nhƣ, khung IEEE 802.3ah) là phõn đoạn và đúng gúi trong khung WCN (vớ dụ, khung IEEE 802.16m). Việc vận chuyển khung WCN đƣợc liền mạch từ OLT tới cỏc SS. Núi cỏch khỏc, chức năng cầu nối khụng đƣợc yờu cầu tại cỏc ONU-BS, trong khi cỏc khung PON sẽ đƣợc ghộp lại và sắp xếp lại tại mỗi SS. Chế độ tớch hợp Overlay đƣợc xem nhƣ phự hợp hơn với PON- WCN do tớch hợp chặt chẽ hơn.
Tớch hợp theo Radio-over-fiber
Tớch hợp theo Radio-over-fiber (RoF) là chế độ kết nối chặt chẽ nhất. Cỏc tớn hiệu WCN đƣợc điều chế trờn một tần số súng mang vụ tuyến và đƣợc truyền đi dƣới dạng quang học giữa một OLT và cỏc ONU-BS trƣớc khi đƣợc bức xạ trong khụng khớ. Tớch hợp theo RoF khiến cho dễ dàng triển khai CT đa cell giữa cỏc ONU-BS phõn tỏn.
Trong nghiờn cứu này, tụi giả định rằng một tớch hợp chặt chẽ theo overlay hoặc RoF đó đạt đƣợc giữa PON và WCN. Vỡ vậy, OLT trong trƣờng hợp này cú thể chiếm đƣợc trạng thỏi kờnh của mỗi SS và luồng. Bằng cỏch giả định rằng OLT đƣợc trang bị với một đơn vị tớnh toỏn mạnh mẽ, điều khiển tớch hợp và tập trung trờn hai mạng là xu hƣớng cho việc thiết kế mạng lai truy cập thế hệ tiếp theo. Ngoài ra, PON nờn đƣợc thiết kế để chuẩn lớp 2 cú thể hoạt động phự hợp với bất kỳ cụng nghệ khụng dõy tớch hợp.
3.3.2 Truyền dẫn kết hợp trong PON-WCN tớch hợp.
Nhƣ một tớnh năng mong đợi của cỏc mạng truy cập băng thụng rộng thế hệ tiếp theo, cỏc ONU-BS kết hợp cú thể hỡnh thành một mảng MISO phõn tỏn ảo, cho phộp thực hiện cỏc kỹ thuật truyền dẫn mó húa theo khụng gian – thời gian tới cỏc SS. Mỗi ONU-BS liờn quan truyền một biểu tƣợng từ mó trực giao hoặc bỏn trực giao tới tất cả
những ONU-BS khỏc. OLT cú khả năng đạt đƣợc đồng bộ húa chớnh xỏc trong cỏc ONU-BS phõn tỏn, hơn nữa nú khiến cho CT giữ sự trực giao của cỏc mó khụng gian – thời gian, đồng bộ cấp độ biểu tƣợng (symbol –level) của nhiều tớn hiệu từ cỏc bộ phỏt khỏc nhau là bắt buộc ở bộ thu. OLT ghộp kờnh theo thời gian dữ liệu đƣờng xuống và phỏt quảng bỏ chỳng tới mỗi ONU-BS phõn tỏn. ONU-BS sau đú xỏc định liệu cỏc dữ liệu cần đƣợc phỏt ra khụng trung dƣới sự điều phối của OLT. Điều này đề cập đến BU-liờn kết, nú cho thấy sự tham gia của cỏc ONU-BS liờn quan đối với một ngƣời dựng cụ thể. Mặt khỏc, ngƣời dựng phải đƣợc thụng bỏo về băng tần và mó húa để sử dụng giải điều chế tớn hiệu nhằm phục hồi dữ liệu thành cụng từ cỏc tớn hiệu nhận đƣợc. Nhƣ vậy, độ lợi phõn tập và độ lợi mó húa cú thể đạt đƣợc bởi thực tế rằng cỏc biểu tƣợng từ mó hoặc một phần của chỳng đƣợc phỏt song song thụng qua cỏc kờnh vụ tuyến độc lập và khỏc nhau. Cỏc từ mó đƣợc tổng hợp lại với nhau và sau đú đƣợc giải mó ở bộ thu. Quỏ trỡnh giải cỏc từ mó cú thể tận dụng đƣợc thụng tin về cỏc kờnh tại bộ thu. Thụng tin trạng thỏi kờnh cú thể cú đƣợc tại bộ thu theo cỏch mỗi anten của ONU-BS gửi cỏc biểu tƣợng hoa tiờu (pilot) hoặc training tới anten của bộ thu để ƣớc tớnh kờnh. Ngoài ra, sự tƣơng tỏc của cụng nghệ OFDM và MISO ảo cú thể cho phộp loại bỏ can nhiễu , điều đú giỳp cải thiện hệ số trải phổ.
CT đa-cell hoạt động trong chế độ một băng tần. Cụ thể, tất cả cỏc ONU-BS, khiến cho CT tham gia một SS cụ thể, sẽ chia sẻ một băng tần chung dựa trờn kỹ thuật OFDMA. Lƣu ý rằng trong nghiờn cứu này, hệ số tỏi sử dụng tần số nhƣ giả định trong bối cảnh triển khai PON-WCN, đú là điều đặc trƣng trong vựng đƣờng kớnh vài kilomet. Đối với triển khai quy mụ lớn trong khu vực đụ thị, một chiến lƣợc chia để trị (divide-and-conquer) cú thể đƣợc sử dụng, tức là, trƣớc hết, khu vực rộng lớn đƣợc phõn chia thành nhiều phần, và sau đú trong mỗi phần vấn đề DSP-PW đƣợc xỏc định tƣơng ứng. Vấn đề phức tạp hơn mà kết hợp tỏi sử dụng tần số sẽ đƣợc dành cho cỏc nghiờn cứu trong tƣơng lai.
3.3.3 Mụ hỡnh phủ và truyền súng vụ tuyến
Mụ hỡnh COST231-Hata đƣợc sử dụng lại nhƣ mụ hỡnh dẫn súng vụ tuyến, nú đƣợc ỏp dụng chung cho cỏc khu vực đụ thị [21]. Trong nghiờn cứu này, một vựng đƣợc phủ súng trong khu vực quan tõm (AOI) nếu cƣờng độ tớn hiệu vụ tuyến nhận đƣợc tại vựng này lớn hơn một mức ngƣỡng nhất định (độ nhạy mỏy thu), nhƣ vậy ta cú thể thiết lập kết nối giữa vựng đú với một hoặc một tập hợp ONU-BS. Vựng phủ súng bị giới hạn quỹ đƣờng truyền, phụ thuộc vào cụng suất phỏt, độ nhạy mỏy thu, tần số hoạt động, và mụi trƣờng truyền. Do sự hiện diện của cỏc tũa nhà, cõy cối và cỏc vật cản khỏc, cỏc hiệu ứng búng vẫn phải đƣợc quan tõm.
Với đƣờng xuống CT đa tế bào, hai hoặc nhiều hơn cỏc ONU-BS đƣợc phộp hợp tỏc cung cấp dịch vụ cho một SS. Tỷ lệ đạt đƣợc với CT, ký hiệu là r C T, cú thể đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Trong đú P là cụng suất của ONU-BS phối hợp gần nhất thu đƣợc tại SS, và N0 là tạp õm kờnh. Trong trƣờng hợp khỏc, trƣờng hợp truyền dẫn khụng hội tụ (chế độ NCT), tỷ lệ đạt đƣợc ký hiệu là rNCT và đƣợc thể hiện nhƣ sau:
Trong đú P là cụng suất của ONU-BS phối hợp gần nhất thu đƣợc tại SS.
3.3.4 Mụ hỡnh truyền dẫn trong sợi quang.
Tớn hiệu quang học tự nhiờn bị giảm cƣờng độ (hoặc suy hao) theo khoảng cỏch. Do tớnh thụ động của tất cả cỏc mạng PON, mức cụng suất tớn hiệu thu đƣợc tại OLT từ mỗi ONU-BS giảm theo khoảng cỏch. Khoảng cỏch càng lớn, cụng suất thu đƣợc tại OLT càng thấp. Do đú, độ dài khụng đồng đều cỏc đƣờng truyền dữ liệu giữa cỏc OLT và ONU-BSS gõy ra hiện tƣợng"gần-xa", nú sẽ ảnh hƣởng đến quỏ trỡnh tỏch chớnh xỏc luồng bớt đến. Nếu bộ thu OLT cú thể khụng nhanh chúng điều chỉnh ngƣỡng 0-1 tại điểm bắt đầu của mỗi khe thời gian thu đƣợc, sau đú nú sẽ dẫn đến BER cao tại bộ thu OLT. Một số phƣơng phỏp tiếp cận đó đƣợc xem xột để khắc phục vấn đề này [22]. Hầu hết cỏc phƣơng phỏp tiếp cận yờu cầu phần cứng và / hoặc phần mềm phức tạp, do đú làm tăng sự phức tạp kỹ thuật. Ngoài ra, bằng cỏch đƣa vấn đề "gần-xa" vào giai đoạn quy hoạch mạng ban đầu, chỳng ta cú thể loại bỏ / giảm thiểu cỏc nguyờn nhõn cố hữu của vấn đề trờn ở giai đoạn quy hoạch mạng lƣới.
Vỡ hệ thống mạng tớch hợp PON-WCN chủ yếu cho cỏc khu dõn cƣ và cỏc khu trụ sở kinh doanh, trƣớc khi quy hoạch mạng lƣới, sự phõn bố địa lý của nhu cầu lƣu lƣợng trong AOI phải đƣợc biết đến, điều này cú thể đƣợc từ phõn tớch dữ liệu thống kờ đo lƣờng lƣu lƣợng truy cập và / hoặc giỏm sỏt cũng nhƣ dự đoỏn nhu cầu tăng trƣởng lƣu lƣợng truy cập. Ta định nghĩa cỏc sites cú mật độ lƣu lƣợng truy cập cố định là cỏc điểm rất quan trọng (VIPs), cỏi cú thể là một hotspot cụng cộng, một mạng lƣới doanh nghiệp trong một tũa nhà văn phũng, hay một căn hộ, hoặc bất cứ nơi nào đụng dõn cƣ. Để khụng mất tớnh tổng quỏt, ta giả định rằng cỏc MSs là đồng nhất phõn phối trong AOI, trong đú yờu cầu về nhu cầu lƣu lƣợng đƣợc phõn phối thống nhất. Cỏc AOI đƣợc chia thành một bộ lƣới nhỏ hỡnh chữ nhật với kớch thƣớc bằng nhau. Một tập hợp cỏc điểm thử nghiệm (TPs) đặc biệt cho cụng tỏc thử nghiệm việc phủ súng di động đƣợc định nghĩa tại mỗi mạng lƣới hỡnh chữ nhật nhỏ. Vỡ cỏc ONU-BSs và cỏc bộ tỏch quang (splitter) khụng thể đƣợc đặt bất cứ nơi nào, chỉ cú địa điểm nhất định cú đủ
điều kiện mới đƣợc triển khai. Một tập hợp cỏc vị trớ ứng cử viờn (CPs) để bố trớ định vị cỏc ONU-BSs và một tập cỏc site tiềm năng (PSs) để bố trớ splitter cũng đƣợc xỏc định.
Định nghĩa 5.1. Bài toỏn DSP-PW.
Với nhu cầu lƣu lƣợng cho cỏc khu dõn cƣ, cỏc khu là cỏc cơ sở kinh doanh, yờu cầu phủ súng di động trong AOI, và chi phớ (CAPEX và OPEX) của thiết bị mạng tớch hợp PON-WCN, cỏc mục tiờu thiết kế của bài toỏn DSP-PW là:
(I) Cú đƣợc chi phớ cơ sở hạ tầng tối thiểu chung của PON-WCN tớch hợp;
(II) Xỏc định vị trớ tối ƣu cho cỏc ONU-BSs và bộ tỏch quang thụ động cũng nhƣ sơ đồ quang;
(III) Quyết định sự liờn kết giữa cỏc ONU-BSs và cỏc VIPs / TPs (tức là, liờn kết BU);
(IV) Chỉ định băng thụng và ngƣỡng cụng suất cho mỗi VIP (tức là, RBA).
Cỏc đầu vào khỏc cho bài toỏn DSP-PW bao gồm yếu tố suy hao, biờn độ che chắn, yờu cầu tỷ lệ phủ súng, độ nhạy thu, truyền tải cụng suất tối đa của cỏc ONU-BSs, và trờn ràng buộc băng thụng đó ấn định cho mạng tớch hợp.
Xõy dựng cụng thức toỏn học:
Cỏc ký hiệu đƣợc sử dụng trong việc xõy dựng bài toỏn đƣợc túm tắt trong bảng 5.1. Định nghĩa G N,E biểu thị một biểu đồ chỉ dẫn, trong đú N là tập hợp cỏc nỳt và
Elà tập hợp của cỏc cạnh, biờn liờn kết . N đƣợc phõn chia thành Ns và Ncp, tức là, N = Ns U Ncp, Ns và Ncp đại diện cho cỏc thiết lập của cỏc PSs để triển khai splitter và thiết lập cỏc CPs cho cỏc ONU-BSs, tƣơng ứng. OLT ∈ NS. Định nghĩa Ω = Ns /
{OLT} U Ncp. OLT, splitter và ONU-BSs là nỳt gốc, cỏc nỳt lỏ và cỏc nỳt nội bộ trong kiến trỳc cõy tƣơng ứng.
Đại diện cho một nhỏnh cõy, ta mụ tả ma trận tỷ lệ của node-edge dạng nhị phõn
eij Ns
E đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
ij
e = 1, nếu tồn tại một liờn kết trực tiếp từ i thuộc Ns tới j thuộc Ω. Và eij = 0 trong cỏc trƣờng hợp khỏc.
60 Tham số í nghĩa NC P NT P NV I P NS N Ω ρk γ0 PBS B
Tập cỏc vị trớ mong đợi (CPs) cho cỏc ONU-BSs trong AOI, |NCP | = M . Tập cỏc điểm thử nghiệm test points (TPs) trong AOI, |NT P | = N .
Tập cỏc điểm quan trọng (VIPs) trong AOI, |NV I P | = K . Tập cỏc sites tiềm năng (PSs) cho splitters trong AOI. Tập cỏc nodes trong AOI. N = Ns U Ncp.
Tập cỏc nodes trong AOI ngoại trừ node gốc, Ω = N/{OLT }. Cỏc yờu cầu lƣu lƣợng cho VIPk .
Tỷ số ngƣỡng nhỏ nhất của tớn hiệu trờn tạp õm của đƣờng xuống (SNR) cho một MS.
Ngƣỡng thu mật độ phổ cụng suất lớn nhất của một ONU-BS. Tổng độ rộng băng thụng khụng dõy hiệu lực.
Ma trận liờn thuộc vị trớ – loại của splitter Z = (zst)|Ns |ìT đƣợc định nghĩa 1, 0, st t T PSs s Ns z
nếu một splitter kiểu được đặt ở với
Trong các trường hợp khác
Ma trận liờn thuộc dũng dữ liệu cú hƣớng
s m m ij N x x Ncp F f đƣợc định nghĩa ij 1, , 0, m
m nếu edge eij i Ns j nằm trê n f m Ncp
f