2.2.1 Service Flow
Service Flow (SF) là một dịch vụ vận chuyển MAC, cung cấp sự vận chuyển các gói theo một chiều uplink hoặc downlink. Nó được nhận dạng bởi một SFID (Service Flow Identifier) 32 bit.
Một Service Flow được mô tả bởi một tập hợp tham số QoS. Các tham số QoS bao gồm những chi tiết về cách SS có thể yêu cầu các sự cấp phát băng thông uplink và hành vi mong đợi của bộ lập thời biểu (scheduling) uplink BS. Các thuộc tính service flow :
• Service Flow ID. Một SFID được gán vào mỗi service flow hiện có. SFID được sử dụng làm định danh (identifier) cho service flow trong mạng.
• CID. Việc ánh xạ một CID sang một SFID chỉ hiện hữu khi nối kết có một service flow được thừ nhận hoặc được kích hoạt.
• Provisioned QoS ParamSet. Thuộc tính này định nghĩa một tham số QoS dự trữ qua những phương tiện mà chuẩn giả định là nằm bên ngoài phạm vi của nó. Chuẩn nêu rõ rằng đây có thể là một phần của hệ thống quản lý mạng. Ví dụ, tên lớp đồng bộ (hoặc QoS) là một thuộc tính của ProvisionedQoSParamSet
• AdmittedQoSParamSet. Thuộc tính này định nghĩa một tập hợp tham số QoS mà BS, và có lẽ là SS là những tài nguyên dành riêng. Nguồn tài nguyên chính cần được dành riêng là băng thông, nhưng điều này cũng bao gồm bất kỳ tài nguyên dựa vào bộ nhớ hoặc thời gian khác được yêu cầu để kích hoạt dòng sau đó.
• ActiveQoSParamSet. Thuộc tính này định nghĩa một tập hợp tham số QoS xác định dịch vụ thật sự được cung cấp cho service flow. Chỉ một service flow active (được kích hoạt) có thể chuyển tiếp các gói. Trạng thái kích hoạt của service flow được quyết định bởi ActiveQoSParamSet. Nếu ActiveQoSParamSet rỗng thì service flow không được kích hoạt.
• Authorisation module. Đây là một chức năng logic trong BS vốn chấp nhận hoặc từ chối moij thay đổi đối với các tham số QoS và các classifier (bộ phân loại) được kết hợp với một service flow. Do đó, nó định nghĩa một “đường bao” vốn giới hạn những giá trị có thể có của AdmittedQoSParamSet và ActiveQoSParamSet
Chuẩn định nghĩa 3 loại service flow:
• Provisioned service flows. Loại service flow này được định biết thông qua việc dự trữ, ví dụ hệ thống quản lý mạng. AdmittedQoSParamSet và ActiveQoSParamSet của nó đều rỗng.
• Admitted service flow. Chuẩn hỗ trợ một mô hình kích hoạt hai giai đoạn thường được sử dụng trong các ứng dụng điện thoai. Trong mô hình kích hoạt 2 giai đoạn, các tài nguyên cho một cuộc gọi thường được “chấp nhận” (admitted) và sau đó, một khi sự thương lượng từ đầu này đến đầu kia được hoàn tất, các tài nguyên được “kích hoạt”.
• Active service flow. Loại service flow này có các tài nguyên được cam kết bởi BS cho ActiveQoSParamSet của nó. ActiveQoSParamSet của nó không rỗng.
Service flows có thể được quản lý (tạo ra, thay đổi, xóa bỏ) bởi một chuỗi những tin nhắn quản lý MAC:
- Dynamic Service Change (DSC),
- Dyanamic Service Delete (DSD), and
- Dynamic Service Activate (DSA).
2.2.2. Classes of service
Chuẩn IEEE 802.16 chỉ rõ 5 lớp dịch vụ:
1. Unsolicited Grant Service (UGS): Dịch vụ UGS được thiết kế để hỗ trợ luồng dữ liệu thời gian thực với những gói dữ liệu có kích thước cố định ( ví dụ VoIP). Nó cung cấp hầu hết việc lập thời biểu ngiêm ngặt, bảo vệ duy trì thông lượng, góc trễ, và jitter tới những cấp độ cần thiết cho những dịch vụ hợp kênh phân chia theo thời gian. Phép đo QoS là tốc độ lỗi gói tin ( PER) và tốc độ dịch vụ.
2. Extended Real-Time Polling Service (ertPS): 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.
3. Real-Time Polling Service (rtPS): Dịch vụ rtPS hỗ trợ lưu lượng thời gian thực với kích thước gói tin thay đổi ( ví dụ hội nghị và luồng video MPEG). Nó cũng cung cấp sự bảo đảm thông lượng và góc trễ nhưng với góc trễ có dung sai lớn hơn, làm cho nó thích ứng với những ứng dụng hội nghị video. Những gói tin bị trễ không được sử dụng và sẽ bị loại bỏ. Phép đo QoS là PER và độ trễ tối đa.
4. Non-Real-Time Polling Service (nrtPS): Dịch vụ nrtPS được thiết kế để hỗ trợ những chuỗi dữ liệu trễ khả dụng với những gói dữ liệu có kích thước thay đổi ( ví dụ FTP). Nó chỉ cung câp sự bảo đảm về thông lượng và do đó được phù hợp với những ứng dụng dữ liệu tới hạn cái mà không phụ thuộc vào độ trễ ( ví dụ e-mail, FTP). Phép đo QoS là PER và tốc độ dự trữ nhỏ nhất.
5. Best Effort (BE): những dịch vụ BE được sử dụng cho những luồng dữ liệu không yêu cầu cấp độ dịch vụ nhỏ nhất và có thể được xử lí trên nền tảng không gian hợp lý. Nó không cung cấp tất cả sự bảo đảm cho độ trễ hoặc thông lượng ( ví dụ HTTP). BE thu băng thông dư sau khi băng thông được cấp phát tới kết nối của 3 lớp dịch vụ trước
2.3. Kiểu kiến trúc QoS và QoS Scheduling2.3.1. Kiến trúc QoS 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