2.4.1 Cơ chế yêu cầu và cấp phát băng thông.
Quá trình yêu cầu và cấp phát băng thông có quan hệ chặt chẽ với nhau. Chúng được hình thành dựa trên các yêu cầu về chất lượng dịch vụ cho các ứng dụng. Quá trình yêu cầu băng thông chủ yếu là do trạm di động thực hiện. Trong khi qúa trình cấp phát là do trạm gốc.
Trong trường hợp cho kết nối xuống DL, trạm gốc BS quyết định toàn bộ việc cấp phát băng thông tới các trạm di động. Khi các gói tin MAC PDU được đưa vào các kết nối, tiến trình lập lịch được quản lý bởi trạm gốc sẽ phân phối tài nguyên vật lý dựa trên các yêu cầu về chất lượng dịch vụ. Sự phân phối này sẽ được thông báo tới trạm di động bằng trường DL-MAP nằm tại vị trí đầu khung con Download.
50
Trường hợp cho các kết nối lên, trạm di động yêu cầu tài nguyên bằng cách sử dụng các thông điệp yêu cầu như là các gói PDU yêu cầu băng thông hoặc các gói PDU thông thường được đính kèm yêu cầu cấp phát dưới dạng piggyback. Trạm gốc tập hợp các yêu từ các trạm di động sau đó thông qua các chế độ lập lịch để thực hiện phân chia băng thông cho các trạm này nhằm thỏa mãn các yêu cầu về QoS.
Các kết nối lên UL sử dụng bốn cơ chế yêu cầu- cấp phát băng thông:
(i) Unsolicited granted -Cấp phát tự nguyện: trạm gốc sẽ cấp phát một lượng
băng thông cố định trong suốt quá trình kết nối cho trạm di động theo yêu cầu. (ii) Unicast polling- Thăm dò đơn hướng: Trong WiMAX, khái niệm polling
(thăm dò) chỉ một tiến trình trong đó các trạm di dộng sẽ được hỏi về việc có hay không truyền dữ liệu trên một lượng tài nguyên có sẵn. Khi tài nguyên dành riêng chỉ cấp duy nhất cho một trạm di động, quá trình này được gọi là unicast. Nếu trạm không có dữ liệu truyền nó sẽ bỏ qua. Thông điệp UL-MAP trong khung con Download sẽ chứa các thông tin về sự phân phát băng thông trong khung con Upload.
(iii) Broadcast polling- Thăm dò quảng bá: khác với Unicast, broadcast
polling là quá trình thăm dò do trạm gốc tiến hành đối với một nhóm (multicast)
hoặc tất cả các trạm di động trong hệ thống. Khi có nhu cầu truyền dữ liệu, các trạm di động sẽ gửi yêu cầu. Tuy nhiên đụng độ sẽ xảy ra khi có hơn hai trạm cùng đáp ứng quá trình thăm dò. WiMAX sử dụng thuật toán “Truncated Binary Exponential Backoff” để giải quyết vấn đề cạnh tranh băng thông.
(iv) Piggyback: Thay vì truyền một gói tin PDU độc lập, trạm di động sẽ gửi kèm vào gói PDU thông thường các thông tin về lượng băng thông mà nó cần. Thông thường các yêu cầu băng thông cho một khung sẽ được đính kèm trong khung tin trước đó. Băng thông yêu cầu bởi chế độ piggyback chỉ có thể tăng.
51
Hình 2.30: Mô hình yêu cầu và cấ phát băng thông.
Trạm gốc có thể cấp phát băng thông cho một kết nối hoặc cho cho một trạm cơ sở. Khi có nhiều luồng dịch vụ liên quan đến một trạm di động riêng lẻ, trạm gốc tập hợp tài nguyên để phân phát cho trạm di động thay vì cấp phát cho từng luồng riêng. Tuy nhiên khi tài nguyên do BS cung cấp không đủ so với yêu cầu thì trạm di động sẽ phân phát và bố trí lại tài nguyên giữa các luồng dịch vụ dựa trên các yêu cầu về thông lượng và chất lượng dịch vụ QoS.
2.4.2 Phân loại luồng dịch vụ và các tham số điều khiển chất lƣợng dịch vụ QoS vụ QoS
Một trong những chức năng chính của tầng MAC là đảm bảo các yêu cầu về chất lượng dịch vụ cho các luồng dữ liệu khác nhau. Bởi vậy mà phải có các quá trình đàm phán về các thông số hỗ trợ QoS như trễ, jitter, tốc độ dữ liệu, tỉ lễ lỗi gói tin, hay sự sẵn sàng của hệ thống. Khi mà các yêu cầu về QoS của các dịch vụ
S lo t y êu c ầu Bu rst dữ li ệu Bu rst dữ li ệu S lo t y êu c ầu S lo t y êu c ầu Bu rst dữ li ệu Bu rst dữ li ệu Bu rst dữ li ệu DL -MA P UL -M AP Bu rst dữ li ệu Yêu cầu từ trạm SS Đụng độ Trạm SS nhận
Khung con Uplink Khung con Downlink
Khung n Khung n-1
Trạm BS nhận Trạm BS
52
dữ liệu là khác nhau, WiMAX cũng đưa ra các cơ chế bắt tay và truyền nhận dữ liệu để thỏa mãn các yêu cầu này. WiMAX định nghĩa 5 loại dịch vụ lập lịch:
+ Unsolicited Grant Service (UGS): Dịch vụ cung cấp tự nguyện được sử
dụng nhằm hỗ trợ các luồng dịch vụ thời gian thực với gói tin dữ liệu có kích thước cố định trong một đơn vị chu kỳ như T1/E1 và VoIP (không hỗ trợ loại bỏ khoảng im lặng). Dịch vụ này cung cấp cho trạm di động một lượng băng thông cố định mà không cần gửi yêu cầu trong suốt quá trình kết nối được thiết lập. Khi trạm di động MS không phải chia sẻ kết nối với các trạm khác sẽ tránh được các hiện tượng tràn (overhead) và trễ (latency) liên quan đến quá trình yêu cầu băng thông.
Trạm gốc tính toán dung lượng cấp phát dựa trên các thông số như tốc độ dành riêng tối thiểu cho luồng dịch vụ “Minimum Reserved Traffic Rate”, khoảng thời gian khi tầng MAC nhận gói tin SDU cho tới khi gói tin được gửi đến tầng vật
lý “Maximum Latency”, hay dung sai trễ lớn nhất “Tolerated Jitter”
Hình 2.31: Dịch vụ cấp phát tự nguyện UGS.
+ Real-Time Polling Service (rtPS)- Dịch vụ thăm dò thời gian thực được thiết kế để hỗ trợ các ứng dụng thời gian thực, cho phép truyền các gói tin có kích thước biến thiên trong một chu kì như là hình ảnh MPEG , hay ứng dụng VoIP có (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
SDU đến tầng MAC SDU phân phát xuống tầng vật lý Khoảng cấp phát tự nguyện d2- d1= Tolerated Jitter Maximum Latency d1 d2 Maximum Latency Thời gian
53
ngắt khoảng im lặng. Với loại hình dịch vụ này, trạm gốc BS sử dụng cơ chế thăm dò Unicast (unicast polling) để xác định băng thông cho trạm di động MS bởi vậy mà nó có khả năng xảy ra overhead cao hơn dịch vụ UGS. Tuy thế lại hiệu quả cho các dịch vụ có gói dữ liệu biến thiên…
Các tham số ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ QoS bao gồm: tốc độ dành riêng tối thiểu “Minimum Reserved Traffic Rate”, tốc độ duy trì tối đa “ Maximum
Sustained Traffic Rate”, hay độ trễ tối đa “Maximum Delay/Lantency”.
+ Non-real-time Polling Service (nrtPS) - Dịch vụ thăm dò phi thời gian thực là dịch vụ được dành cho các ứng dụng không đòi hỏi về độ trễ như giao thức truyền dữ liệu FTP. Trạm gốc BS cho phép trạm di động gửi các yêu cầu xin cấp phát băng thông theo định kì như dịch vụ rtPS tuy nhiên khoảng thời gian giữa các yêu cầu là dài hơn. Điều này đảm bảo cho SS vẫn nhận được cơ hội truyền khi có sự cố tắc nghẽn.
Một số tham số liên quan đến dịch vụ nrtPS: tốc độ dành riêng tối thiểu
“Minimum Reserved Traffic Rate”, tốc độ duy trì tối đa “Maximum Sustained
Traffic Rate”, và độ ưu tiên của traffic “traffic priority”
+ Best-effort Service (BE)- dịch vụ Best-effort cung cấp rất ít các hỗ trợ về chất lượng dịch vụ QoS, các ứng dụng của nó không đòi hỏi khắt khe về QoS như HTTP, Telnet… Dữ liệu sẽ được gửi mỗi khi tài nguyên thừa ra và không bị yêu cầu bởi một dịch vụ lập lịch nào khác. Trạm MS chỉ sử dụng cơ chế thăm dò cạnh tranh (contention-base polling) để yêu cầu băng thông. Điều này có thể gây ra đụng độ trong quá trình thăm dò băng thông dẫn đến gây ra trễ rất lớn cho các trạm MS.
Dịch vụ này có các tham số: tốc độ duy trì tối đa “Maximum Sustained
Traffic Rate”, và độ ưu tiên của traffic “traffic priority”.
+ Extended Real-Time Polling Service (ertPS): Dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng là một loại dịch vụ lập lịch mới, được giới thiệu trong chuẩn IEEE 801.16e. Thuật toán ertPS được thiết kế chủ yếu để hỗ trợ ứng dụng VoIP với đặc tính ngắt khoảng lặng. Dịch vụ này không những loại bỏ được overhead và trễ truy cập của thuật toán rtPS mà còn còn ngăn được sự lãng phí tài nguyên do thuật toán UGS gây ra.
54
Các tham số liên quan đến dịch vụ ertPS: tốc độ dành riêng tối thiểu
“Minimum Reserved Traffic Rate”, tốc độ duy trì tối đa “Maximum Sustained
Traffic Rate”, dung sai trễ tối đa “Max Lantency Tolerance ”, dung sai trễ jitter,
và độ ưu tiên của traffic “Traffic priority”
Dịch vụ lập lịch
Các yêu cầu về QoS
Ứng dụng Tham số Yêu cầu Cơ bản
UGS
Độ trễ gói tin <150ms <250ms T1/E1
VoIP (không ngắt khoảng lặng) Độ trễ Jitter <30ms <50ms Độ mất mát gói tin <0.3% <0.5% Khoảng bảo vệ >99.9% >99.5% rtPS
Độ trễ gói tin <300ms <600ms VOD, Video Telephony, Video Game Độ trễ Jitter <50ms <100ms Độ mất mát gói tin <1% <5% Khoảng bảo vệ >99% >95% nrtPS Độ trễ gói tin <300ms <600ms FTP, Multimedia message… Độ trễ Jitter <50ms <100ms Độ mất mát gói tin <0-2% <0-5% Khoảng bảo vệ >98% >82% BE Độ trễ gói tin NT Http, SMS
55 Độ trễ Jitter Độ mất mát gói tin Khoảng bảo vệ NT ertPS
Độ trễ gói tin VoIP có sử
dụng cơ chế ngắt khoảng lặng. Độ trễ Jitter Độ mất mát gói tin Khoảng bảo vệ
56
CHƢƠNG 3: CÁC THUẬT TOÁN LẬP LỊCH CHO QUÁ TRÌNH LÊN (UPLINK). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong chương này , chúng tôi phân tích chi tiết các thuật toán lập lịch cho quá trình gửi dữ liệu trong hệ thống WiMAX.
Tiêu chuẩn IEEE 802.16- 2004 phân luồng dữ liệu thành 4 loại là
Unsolicited Grant Service (UGS), real time Polling Service (rtPS), non real time
Polling Service (nrtPS) và Best Effort (BE). Theo tiêu chuẩn này, trạm gốc BS theo
định kì sẽ cung cấp các thông tin cấp phát Data Grant Burst IE tới trạm thuê bao SS dựa trên tốc độ duy trì tối đa (Maximum Sustained Traffic Rate- MSTR) của nó. Dung lượng cấp phát đủ để cho trạm SS hoạt động. Chuẩn IEEE 802.16- 2005 còn đưa ra thêm một dịch vụ lập lịch gọi là dịch vụ thăm dò thời gian thực mở rộng
(extended real-time Polling Service - ertPS). Dịch vụ ertPS được xây dựng dựa
trên hiệu quả của cả hai dịch vụ lập lịch UGS và rtPS để hỗ trợ cho các ứng dụng thời gian thực như VoIP có ngắt khoảng im lặng. Khi các kết nối dành cho dịch vụ UGS được cấp cố định một lượng băng thông, vậy nên chi tiết của chương tập trung vào các luồng dịch vụ là ertPS, rtPS, nrtPS và BE. Tiêu chuẩn đòi hỏi mỗi trạm SS phải có các tham số chất lượng dịch vụ QoS cơ bản:
+ Tốc độ dành riêng tối thiểu MRTR(Minimum Reserved Traffic Rate):
đây là tham số xác định tốc độ bé nhất dành cho trạm thuê bao và thường được ấn định bằng tỉ số bit/s.
+ Tốc độ duy trì tối đa MSTR(Maximum Sustained Traffic Rate- MSTR): tham số này xác định tốc độ thông tin lớn nhất.
+ Trễ tối đa direq (Maximum Latency): xác định độ trễ lớn nhất giữa thời
gian trạm thuê bao bắt đầu nhận gói tin tới lúc gói tin rời khỏi trạm.
+ Độ mất mát gói tin (Packet Loss): tham số xác định phần trăm gói tin bị mất trong hàng đợi khi vượt quá độ trễ lớn nhất. Độ mất mát gói tin được tính đến cho các thuê bao có các ứng dụng đáp ứng thời gian thực.
Các trạm SS đều sử dụng bốn tham số này để đánh giá chất lượng dịch vụ. Sau đây là các biến/hàm dùng cho sơ đồ giả mã (Pseudo-code) để mô tả các thuật toán:
57 +C: dung lượng của kênh lên (Uplink) +Total: tổng số trạm thuê bao SS.
+ertPS: tổng số trạm thuê bao sử dụng dịch vụ ertPS. +rtPS: tổng số trạm thuê bao sử dụng dịch vụ rtPS +nrtPS: tổng số trạm thuê bao sử dụng dịch vụ nrtPS +BE: tổng số trạm thuê bao sử dụng dịch vụ BE
+ bialloc: băng thông phân bố cho trạm SS thứ i.
+ dequei(P): lượng gói tin đi ra khỏi hàng đợi của trạm SS thứ i. + enquei(P): lượng gói tin đi vào hàng đợi của trạm SS thứ i.
+ sizei(P,γi): kích thước đạt được của gói tin P từ hàng đợi của trạm SS thứ i. Và (SINR(γi)) là số lượng biểu trưng (Symbol) được chuyển từ gói tin P dựa trên tỉ số Tín/tạp.
+ piHOL: gói tin Head of Line của trạm SS thứ i.
+ CreateIE(sizei(P,γi),i): tạo một phần tử thông tin IE (Information Element) cho trạm SS thứ i. Sau khi tạo phần tử IE sẽ được thêm vào thông điệp ULMAP.
+ Nexti(P) : gói tin tiếp theo từ hàng đợi của trạm SS thứ i.
+ drop(ertPS,rtPS): gói tin mất mát trong hàng đợi của các tram SS có dịch vụ ertPS và rtPS.
Để đảm bảo rằng số lượng trạm SS và băng thông yêu cầu bé nhất của nó không vượt quá dung lượng kênh, chúng tôi thực hiện một tính toán điều khiển quyền như sau:
n
i 1
58
Số lượng biểu trưng (Symbol) dành sẵn cho dữ liệu được tính toán bằng cách trừ đi các biểu trưng overhead (chuỗi mào đầu, biểu trưng yêu cầu băng thông, biểu trưng cho các yêu cầu cơ hội) từ tổng dung lượng đường Uplink. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mỗi trạm thuê bao có thể có nhiều kết nối, tất cả chúng đều được phân loại cùng một luồng traffic. Số lượng kết nối trên một trạm SS sẽ thay đổi vì vậy tải trên một trạm cũng sẽ bị thay đổi. Băng thông sẽ được cấp phát tới từng trạm SS (Grant per SS) mà không chia sẻ riêng cho từng kết nối. Một khe thời gian (slot) của trạm SS sẽ được dành cho quá trình yêu cầu băng thông và cạnh tranh cơ hội truyền.
Chúng tôi sử dụng cấu trúc khung TDD, cho phép trạm gốc BS và trạm SS truyền dữ liệu trên cùng một tần số trong thời gian chia sẻ. Tiêu chuẩn IEEE 802.16-2004 xác định các phần tử thông tin IE được đóng gói trong thông điệp UL-MAP. Danh sách IE cấu thành thông điệp UL-MAP sẽ được gửi quảng bá tới tất cả các trạm SS. Trong phương pháp giả mã Pseudo-code, chức năng tạo thông điệp UL-MAP sẽ được mô tả bởi hàm CreateIE().
3.1 Các thuật toán cân bằng (Homogeneous Algorithm)
Các thuật toán trong phần này được áp dụng chủ yếu cho các mạng hữu tuyến nhưng sau này cũng được ứng dụng rộng rãi cho các kĩ thuật vô tuyến như GSM, UMTS, và WiMAX. Chúng tôi chọn thực hiện ra các thuật toán tiêu biểu để phân tích đó là Weighted Round Robin (WRR), Earliest Deadline First (EDF) và Weighted Fair Queuing (WFQ). Ba thuật toán này thỏa mãn các yêu cầu về chất lượng dịch vụ cho người dùng theo các cách khác nhau. Thuật toán EDF phân bố băng thông dựa trên các yêu cầu về trễ, trong khi thuật toán WRR và WFQ lại phân bố băng thông dựa trên các trọng số gán cho trạm SS.
3.1.1 Thuật toán Weighted Round Robin (WRR)
Thuật toán lập lịch này được đưa ra cho các traffic ATM nhằm đánh giá độ hiệu quả của tầng MAC (tiêu chuẩn IEEE 802.16) trong việc hỗ trợ nhiều luồng traffic và đảm bảo các yêu cầu QoS. Thuật toán này hoạt động ngay tại điểm bắt đầu của frame tại trạm gốc BS. Ngay lúc đầu, WRR các định việc phân bố băng thông cho các trạm SS dựa trên các trọng số của trạm. Đặc điểm quan trọng nhất của thuật toán này là việc đánh trọng số cho mỗi trạm. Trọng số được gán chỉ định mối liên hệ về chu kì và các yêu cầu QoS cho trạm SS. Khi tốc độ dành riêng tối
59
thiểu MRTR là một trong những tham số xác định bởi trạm SS tương ứng cho việc đảm bảo yêu cầu dịch vụ, thì chúng ta có thể gán trọng số tới trạm SS như sau:
Wi= MRTRi/ n j 1 ( MRTRj) (3.2) Trong đó: Wi là trọng số của trạm SS thứ i n là số lượng trạm SS
Thuật toán có thể được mô tả bằng sơ đồ giả mã sau:
Hình 3.1: Mô tả thuật toán WRR bằng phƣơng pháp giả mã Pseudo- code
3.1.2 Thuật toán Earliest Deadline First (EDF)
Thuật toán EDF là một trong những thuật toán lập lịch ứng dụng rộng rãi