2.3.1. Kiến trúc QoS
IEEE 802.16 có thể hỗ trợ nhiều dịch vụ thông tin liên lạc (dữ liệu, âm thanh, video) với những nhu cầu QoS khác nhau. Lớp MAC định nghĩa chức năng và kỹ thuật báo hiệu QoS có thể điều khiển việc truyền dữ liệu BS và SS. Trên đường xuống (từ BS tới SS), việc truyền tương đối là đơn giản bởi vì BS chỉ có duy nhất một, BS truyền trong suốt khung con downlink, do đó việc lập thời biểu DL đơn giản hơn nhiều so với việc lập thời biểu UL. IEEE 802.16 định nghĩa kỹ thuật báo hiệu QoS được yêu cầu như BW-Request và UL-MAP, nhưng nó không định nghĩa bộ lập thời biểu đường lên, ví dụ kỹ thuật quyết định IEs trên UL-MAP. Mỗi kết nối trên chiều lên được ánh xạ tới dịch vụ lập thời biểu. Mỗi dịch vụ lập thời biểu được kết hợp với 1 bộ quy tắc trình bày trong BS scheduler chịu trách nhiệm đối với việc cấp phát dung lượng đường lên và giao thức request-grant giữa
SS và BS. Kỹ thuật chi tiết của những quy tắc và dịch vụ lập thời biểu được sử dụng cho một kết nối đường lên đặc biệt được thương lượng tại thời gian thiết lập kết nối
Hình 2.12: Kiến trúc QoS của IEEE 802.16 [5] 2.3.2. QoS Scheduling
Khi một yêu cầu kết nối được ban, một dòng dịch vụ với những tham số QoS được tạo ra cho kết nối. Những dịch vụ lập thời biểu là kỹ thuật xử lý dữ liệu để hỗ trợ bộ lập thời biểu MAC cho việc chuyên chở dữ liệu trên kết nối. BS điều khiển cả việc lập thời biểu UL và DL như được minh họa trong hình 2.14. Bộ lập thời biểu tính toán những yêu cầu thông lượng và thời gian chờ cho lưu lượng UL và DL và cung cấp sự hỏi vòng và cấp phát tại khoảng thời gian thích hợp. DL là quảng bá và bộ lập thời biểu được điền vào trong mỗi burst dựa trên các thông số của các khung trong hàng đợi. Việc lập thời biểu đường lên sử dụng biểu đồ hỏi vòng/cấp phát phức tạp hơn so với yêu cầu phối hợp giữa BS và những SS riêng biệt.
Hình 2.13: Việc lập thời biểu DL và UL của BS [5] 2.3.2.1 UGS scheduling
Loại dịch vụ lập thời biểu UGS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian thực, gồm các gói dữ liệu có kích cỡ cố định được phát ra tại các khoảng thời gian định kỳ. Đây là trường hợp ví dụ cho truyền tín hiệu điện thoại PCM (Pulse Coded Modulation) đặc trưng T1/E1 và Voice over IP không có chức năng khử khoảng lặng. Trong một dịch vụ UGS, PS cung cấp các khoảng cấp phát dữ liệu có kích cỡ cố định tại các khoảng thời gian định kỳ. Điều này loại bỏ hao phí và thời gian trễ của các yêu cầu SS
2.3.2.2 rtPS scheduling
Loại dịch vụ lập thời biểu rtPS được thiết kế hỗ trợ các luồng dữ liệu thời gian thực, gồm các gói dữ liệu có kích cỡ khả biến được phát ra tại các khoảng thời gian định kỳ. Đây là trường hợp ví dụ cho việc truyền video MPEG (Moving Pictures Experts Group). Trong dịch vụ này, BS có cơ hội yêu cầu (uplink) unicast theo định kỳ vốn đáp ứng những nhu cầu thời gian thực của dòng và cho phép SS xác định kích cỡ của phần cấp phát mong muốn. Dịch vụ này đòi hỏi nhiều hao phí yêu cầu hơn UGS, nhưng hỗ trợ các kích cỡ cấp phát khả biến để đạt được hiệu suất vận chuyển dữ liệu thời gian thực tối ưu.
2.3.2.3 nrtPS scheduling
nrtPS được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu có thể chịu đựng sự trễ, gồm các gói dữ liệu có kích cỡ khả biến mà tốc độ dữ liệu tối thiểu được yêu cầu. Chuẩn xét rằng đây là trường hợp ví dụ cho một cuộc truyền FTP. Trong dịch vụ lập thời biểu nrtPS, BS cung cấp các cuộc kiểm tra vòng uplink unicast trên cơ sở đều đặn nhằm bảo đảm service flow nhận các cơ hội yêu cầu thậm chí trong khi mạng bị tắc nghẽn. Chuẩn nêu rõ BS thường kiểm tra vòng các CID nrtPS trên một khoảng thời gian là một giây trở xuống. Ngoài ra, SS được cho phép để sử dụng các cơ hội yêu cầu tranh chấp, nghĩa là SS có thể sử dụng các cơ hội yêu cầu tranh chấp cũng như các cơ hội yêu cầu unicast.
2.3.2.4 BE scheduling
Dịch vụ BE được thiết kế để hỗ trợ các luồng dữ liệu mà không đòi hỏi sự bảo đảm dịch vụ tối thiểu và do đó có thể được xử lý trên cở sở tốt nhất có sẵn. SS có thể sử dụng các cơ hội yêu cầu tranh chấp cũng như các cơ hội yêu cầu unicast khi BS gởi bất kỳ. BS không có bất kỳ trách nhiệm kiểm tra vòng yêu cầu uplink unicast cho các SS BE. Do đó, một khoảng thời gian dài có thể chạy mà không truyền bất kỳ gói BE, điển hình khi mạng đang ở trạng thái tắc nghẽn
2.3.2.5 ErtPS scheduling
Lớp ertPS đã được bổ sung bởi điểm sửa đổi 802.16e. Chuẩn ấn định ertPS là cơ cấu lập thời biểu dựa vào hiệu suất củca 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 các phần cấp phát UGS có kích cỡ cố định, các phần cấp phát ertPS có tính động. ertPS thích hợp cho các ứng dụng thời gian thực có tốc độ biến đổi với những yêu cầu tốc độ dữ liệu và sự trễ. Một ví dụ là Voice over IP không có chức năng khử khoảng lặng.
CHƯƠNG 3
Thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động dựa trên phản tiếp kép
3.1. Giới thiệu
Trong những năm gần đây, mạng truy cập không dây băng rộng đã phát triển nhanh chóng để thoả mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng cho việc truy cập dịch vụ băng rộng ở khắp mọi nơi như hội nghị video, luồng đa phương tiện thời gian thực, IPTV, cũng như các dịch vụ Internet truyền thống trên môi trường không dây di động. Việc xuất hiện mạng BWA IEEE 802.16e, được gọi là WiMAX di động, là một trong những giải pháp triển vọng nhất cho việc truy cập không dây băng rộng để hỗ trợ tốc độ dữ liệu cao, tính di động cao, và độ phủ sóng rộng mà giá thành thấp. Năm 2006, dịch vụ băng rộng không dây (WiBro), WiMAX di dộng, là dịch vụ thương mại đầu tiên trên thế giới, đã đươc triển khai tại Hàn Quốc và SPRINT đã lắp đặt và cung cấp các dịch vụ WiMAX di động tại Mỹ từ tháng 4-2008. Với sự phát triển nhanh chóng các dịch vụ thời gian thực, đa phương tiện, việc cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) trong mạng BWA đang là một vấn đề ràng buộc và thách thức.
Để hỗ trợ QoS cho các loại lưu lượng thay đổi, giao thức điều khiển thâm nhập môi trường (MAC) IEEE 802.16 định nghĩa cơ cấu yêu cầu- cấp phát băng thông riêng và năm loại sơ đồ được phân loại: Dịch vụ cấp phát không yêu cầu (UGS), dịch vụ hỏi vòng thời gian thực (rtPS), dịch vụ hỏi vòng không thời gian thực(nrtPS), dịch vụ cố gắng nhất (BE), và dịch vụ thời gian thực mở rộng (ertPS). Cả UGS và rtPS được đề xuất để hỗ trợ dịch vụ thời gian thực tạo các gói có chu kỳ. Trong khi UGS thích hợp cho lưu lượng tốc độ bít cố định (CBR) như thoại qua giao thức internet (VoIP), rtPS thích hợp cho lưu lượng tốc độ bít thay đổi (VBR) như video MPEG. Sơ đồ UGS có thể tối thiểu hoá độ trễ trong việc xử lý yêu cầu -cấp phát băng thông, tuy nhiên tại cùng thời điểm, nó phải lãng phí băng thông hay dùng không hiệu quả băng thông với lưu lượng VBR. Mặt khác, với kỹ thuật rtPS, băng thông được tận dụng hiệu quả ở chi phí độ trễ bổ sung do việc yêu cầu băng thông dựa trên nhu cầu. Việc tạo ra sự cân bằng giữa độ trễ tối thiểu và việc sử dụng được tối đa, ertPS được giới thiệu trong IEEE 802.16e, một bản hiệu chỉnh của IEEE 802.16-2004. Giống với UGS, kỹ thuật ertPS cấp phát băng thông theo chu kỳ
mà không có bất cứ yêu cầu nào để tối thiểu hoá độ trễ. Cũng giống như cách của rtPS, nó có thể điều chỉnh cỡ băng thông cấp phát để việc sử dụng được tối đa. Tuy nhiên, thuật toán yêu cầu - cấp phát vài băng thông đặc biệt không được tiêu chuẩn hoá để việc thực thi riêng này có thể được sử dụng bởi các nhà cung cấp thiết bị. Mặc dù có một vài đề xuất về khung truyền và thuật toán cho chất lượng dich vụ cho mạng BWA, nhưng họ chủ yểu tập trung vào kiến trúc QoS và lưu đồ thuật toán cho một trạm cơ sở để thoả mãn các yêu cầu QoS khác nhau, thay vì thuật toán yêu cầu băng thông phía trạm thuê bao.
Trong bài khóa luận này, chúng ta đưa ra một thuật toán yêu cầu băng thông uplink hiệu quả và đơn giản cho kỹ thuật ertPS, mục tiêu để tối thiểu hoá sự lãng phí băng thông mà không hạ thấp QoS . Ý tưởng chính cho thuật toán này là sự gấp đôi (twofold)
Để duy trì sự thoả mãn về QoS, chúng ta giới thiệu một khái niệm mục tiêu trễ (target delay) vd độ trễ cho phép trong lớp MAC có thể bị cắt thành giá trị đích của chiều dài hàng đợi truyền.
Ngoài ra, để việc sử dụng được cực đại, ta triển khai một kiến trúc phản phản tiếp. Một sự khác nhau giữa số lưu lượng tích trữ trong hàng đợi truyền và giá trị đích của nó và những cái khác cho sự không thích ứng giữa gói đến và tốc độ dịch vụ.
Với việc sử dụng phản phản tiếp, thuật toán này tính toán động số lượng băng thông yêu cầu để việc lãng phí băng thông được tối thiểu. Đồng thời, nó có thể tối thiểu sự vi phạm độ trễ và biến động trễ, bằng việc điều khiển độ trễ dich vụ lớp MAC quanh mức mong muốn. Hơn nữa, nó đáp ứng nhanh chóng và ổn định với lưu lượng tải biến đổi và điều kiện mạng thay đổi, vì kiến trúc phản phản tiếp. Dựa trên phương pháp lý thuyết điều khiển, chúng ta phân tích sự thực thi và tính ổn định của thuật toán và đưa ra hướng dẫn thiết kế đơn giản. Chúng ta cũng thực thi thuật toán sử dụng mô phỏng MATLAB, và thực thi mô phỏng mở rộng. Kết quả mô phỏng nhằm xác nhận lại thuật toán có thể tối thiểu hoá băng thông lãng phí và điều chỉnh độ trễ quanh mức mong muốn với độ rung pha được giảm đáng kể. Trong bài khóa luận này, chúng ta không đề cập đến kỹ thuật yêu cầu băng thông uplink cho lưu lượng VBR, vì sơ đồ downlink không bao gồm quá trình yêu cầu - cấp phát một vài băng thông và điều chỉnh cỡ băng thông yêu cầu không cần thiểt cho lưu lượng CBR.
3.2. Kiến trúc QoS của IEEE 802.163.2.1. Cơ cấu lập lịch (Scheduling framework) 3.2.1. Cơ cấu lập lịch (Scheduling framework)
Kiến trúc điểm-đa điểm (PMP) của mạng BWA IEEE 802.16, tức là việc truyền chỉ xuất hiện giữa một trạm cơ sở (BS) và trạm thuê bao (SSs). BS điều khiến tất cả các liên lạc giữa BS và SSs. Tất cả việc truyền đều liên quan đến kết nối đơn hướng, cái mà liên quan đến luồng dịch vụ đặc trưng bởi bộ thông số QoS vd độ trễ cho phép, tốc độ lưu lượng tối thiểu, tối đa. Kết nối này có thế là kênh xuống (downlink) (từ BS tới SS) hoặc kênh lên (uplink) (từ SS tới BS), mỗi cái lần lượt được định nghĩa như là DL hoặc UL. Khi thiết lập một kết nối, một điều khiển nạp kết nối riêng được thực hiện tại BS. Một khi kết nối được cho phép. Bộ lập lịch trong BS sẽ lập lịch kết nối DL và UL độc lập. Chúng cũng được phục vụ trong vùng phân chia của khung ở lớp vật lý, vd đa truy cập phân chia tần số trực giao với khung song công phân chia theo thời gian. Kênh DL là một kênh quảng bá, trong khi đó kênh UL được chia sẻ bởi vài SSs theo cách thức mà một SS yêu cầu băng thông được yêu cầu của nó và BS sẽ cấp phát nó bằng lập lịch của tất cả các yêu cầu từ SSs. Bộ lập lịch trong BS tạo và phát quảng bá bản tin MAP bao gồm kênh 2 chiều (thời gian và tần số) cấp phát thông tin cho các kết nối DL và UL. Bản tin MAP của UL chỉ rõ thời gian khi một SS có thể truyền nó có thể thực hiện trong bao lâu, và kênh phụ nào nó có thể chiếm.
Phụ thuộc vào loại lập lịch, có vài cách yêu cầu băng thông:
(i) Không có bất cứ yêu cầu từ SS, BS cấp phát băng thông theo chu kỳ,
(ii) SS nhận một cơ hội yêu cầu băng thông theo chu kỳ từ BS, hỏi vòng,
(iii) SS phản đối cơ hội yêu cầu băng thông (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.2.2 Kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông uplink
Tiêu chuẩn của IEEE 802.16-2004 định nghĩa 4 loại lập lịch uplink:
UGS: loại này có độ ưu tiên dịch vụ cao nhất và được thiết kế để hỗ trợ cho lưu lượng CBR vd lưu lương VoIP. Khi thiết lập kêt nối UGS, SS thiết lập yêu cầu băng thông của nó và độ trễ cho phép tối đa. Sau đó, BS cấp phát số lượng băng thông yêu cầu theo chu kỳ. Vì vậy, UGS co thể ước lượng được tiêu đề và độ trễ kết quả từ quá trình
yêu cầu-cấp phát băng thông. Nó thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu cấp phát băng thông cố định với độ trễ và độ biến động là tối thiểu.
rtPS: Cho lưu lượng VBR thời gian thực tạo các gói có kích thước thay đổi theo chu kỳ vd video MPEG. Bằng việc hỏi vòng tại mỗi khoảng thời gian được đưa ra, BS đưa ra cơ hội yêu cầu tới SSs. Sau đó, SS yêu cầu băng thông mà không phản đối với các SSs khác. Trong khi UGS là loại đầu tiên yêu cầu băng thông, thì rtPS lại phản ứng với nhu cầu băng thông. Do đó, rtPS liên quan đến độ trễ bổ sung trong quá trình yêu cầu-cấp phát băng thông.
nrtPS: Loại lập lich này được thiết kế để hỗ trợ lưu lượng VBR không thời gian thực, yêu cầu đảm bảo băng thông tối thiểu nhưng không nhạy với độ trễ vd FTP. Loại lập lich nrtPS sử dụng kỹ thuật hỏi vòng giống rtPS, tuy nhiên nó cho phép phản đối cơ hội yêu cầu băng thông không theo chu kỳ.
BE: Cho lưu lượng best effort, không có bất cứ yêu cầu QoS đặc trưng nào. Vd email hay web. BS không đưa ra bất cứ cơ hội yêu cầu dành nào riêng nào tới SSs, và SS gửi bản tin yêu cầu băng thông theo phương thức dựa trên sự tranh chấp.
Ngoài 4 phân loại dich vụ trên, IEEE 802.16e còn giới thiệu thêm các loại dịch vụ khác.
ertPS: Cơ bản giống với UGS, ngoại trừ ertPS có thể thay đổi số lượng băng thông cấp phát động dựa trên những đặc tính lưu lượng. Khi dò tìm thì băng thông được cấp phát là không đủ để xử lý các gói đúng lúc, SS yêu cầu băng thông bổ sung bằng việc kèm thêm số lượng của nó trên phần header của gói. Ngược lại nếu băng thông được cấp phát mà mở rộng, thì SS có thể yêu cầu giảm số lượng băng thông cấp phát. Do đó, ertPS phù hợp vói lưu lượng VBR thời gian thực và lưu lượng VoIP với việc triệt hạ được điểm lặng.
Tóm lại, yêu cầu băng thông cho UGS được thực hiện theo một phương thức không yêu cầu và với rtPS và nrtPS theo phương thức hỏi vòng và dịch vụ BE chống đối lại cơ hội yêu cầu băng thông. Mặt khác, cấp phát băng thông cho UGS được thực hiện dựa trên sự dành sẵn và rtPS, nrtPS và BE được thực hiện dựa trên nhu cầu. Loại ertPS thực hiện phương pháp lai ghép trong việc yêu cầu và cấp phát băng thông.
3.3 Thuật toán yêu cầu băng thông động [3]
3.3.1 Cơ sở thiết kế
Mục tiêu thiết kế của thuật toán yêu cầu-cấp phát băng thông động cho ertPS là:
Ước lượng được băng thông yêu cầu đúng lúc và chính xác.
Không lãng phí băng thông và cũng không phải thiếu băng thông.
Phải tối thiểu hóa vi phạm đòi hỏi về độ trễ
Để đạt được những mục đích đó, khái niệm mục tiêu trễ và phản phản tiếp đã được