Lập lịch băng thông dựa trên kỹ thuật phản hồi kép trong WiMAX

ử dụng để thông báo cho BS rằng nó cần được cấp phát băng tần đường lên. Một yêu cầu có thể đến như một tiêu đề yêu cầu băng tần đứng một mình hoặc có thể đến như một PiggyBack Request. Bởi vì profile burst đường lên có thể thay đổi linh động, nên tất cả các yêu cầu băng tần sẽ được tạo thành số hạng của số các byte cần để mang tiêu đề và tải trọng MAC, nhưng không tính lớp vật lí. Bản tin yêu cầu băng tần có thể được phát trong bất kì thời điểm nào đường lên ngoại trừ trong khoảng thời gian Initial Ranging. Bandwidth Request Header: SS có thể yêu cầu cấp phát băng tần vào bất kì thời điểm nào bằng cách gửi một MAC PDU yêu cầu băng tần với một tiêu đề yêu cầu băng tần và không có tải trọng. Tiêu đề yêu cầu băng tần được sử dụng để yêu cầu thêm băng tần. Piggyback Request : Phương pháp thông dụng để yêu cầu băng tần sử dụng một tiêu đề con quản lí cấp phát để mang một yêu cầu cho băng tần thêm vào để cho cùng một kết nối trong MAC PDU. Mang một bản tin BW Request trên một gói dữ liệu. Yêu cầu băng tần có thể là tăng dần hoặc toàn bộ. Khi BS nhận một yêu cầu băng tần tăng dần, nó sẽ ghi nhớ số lượng băng tần được yêu cầu hiện thời của kết nối. Trường Type trong tiêu đề yêu cầu băng tần cho biết yêu cầu là tăng dần hay toàn bộ. Do PiggyBack Request không có trường Type, nên nó sẽ luôn là tăng dần. Phần Cấp phát Cấp phát trên mỗi kết nối (GPC): SS chỉ nhận các cấp phát cho các kết nối cụ thể (bao gồm cả các kết nối quản lí) và kết quả phải yêu cầu băng tần cho mỗi kết nối cụ thể khi có nhu cầu. Hơn nữa, SS phải yêu cầu thêm băng tần để đáp ứng các yêu cầu của RLC không được mong đợi. Vì thế, các hệ thống GPC là đơn giản nhưng không hiệu quả. Việc cấp phát được quyết định dựa trên băng tần đã yêu cầu và các yêu cầu QoS và tài nguyên sẵn có. Cấp phát trên mỗi trạm thuê bao (GPSS): SS nhận một cấp phát băng tần được sử dụng để đáp ứng các nhu cầu của tất cả các kết nối của nó. Tự SS phải quản lí bao nhiêu băng tần được cấp phát cho mỗi kết nối. Nếu một kết nối yêu cầu nhiều hơn băng tần có thể phục vụ, SS có thể “lấy cắp” băng tần từ một kết nối khác để lấp đầy lượng băng tần còn thiếu. BS cũng đảm nhận hàng đợi ưu tiên trên cơ sở các loại lưu lượng. SS sau đó có thể gửi một yêu cầu đến BS để yêu cầu tăng thêm băng tần nhằm đáp ứng các nhu cầu mới của nó. Các cấp phát băng tần được cung cấp trên cơ sở giao thức tự hiệu chỉnh trái ngược với giao thức đã biết ở trên. Trong giao thức này, nếu SS không nhận một cấp phát băng tần trả lời yêu cầu băng tần của nó, SS sẽ thừa nhận rằng yêu cầu đã bị mất hay trả lời không được thỏa mãn, và đơn giản sẽ gửi một yêu cầu khác đến BS mà không đợi một số xác nhận của yêu cầu ban đầu. Giao thức này bỏ qua tiêu đề kết hợp với các bản tin xác nhận. Kỹ thuật dịch vụ lập lịch đường lên Chất lượng dịch vụ nói đến khả năng cung cấp độ ưu tiên cho các dịch vụ khác nhau của mạng. Các tham số chính của QoS trong mạng bao gồm độ rộng băng tần chuyên dụng, góc trễ, jitter và tỉ lệ mất. Có nhiều dịch vụ với QoS khác nhau, điều này có nghĩa là các dịch vụ khác nhau được cấp phát các tài nguyên khác nhau và chất lượng dịch vụ đảm bảo. Phân loại dịch vụ đường lên dựa trên các yêu cầu khác nhau về băng tần, góc trễ và jitter. Dịch vụ cấp phát không yêu cầu (UGS) :Tài nguyên vô tuyến đường lên được cấp phát ở một khoảng thời gian định kì. Bộ lập lịch BS đưa ra băng tần đường lên kích cỡ cố định chấp nhận cơ sở thời gian thực theo chu kì.Dịch vụ UGS được thiết kế cho các luồng lưu lượng thời gian thực mà phát các gói dữ liệu kích cỡ cố định trên nền tảng định kì như T1/E1 và VoIP. Dịch vụ kiểm soát vòng thời gian thực (rtPS) Dịch vụ này cung cấp các cơ hội yêu cầu truyền dẫn đường lên ở các khoảng thời gian cố định. Theo cách này, tài nguyên trước hết phải được yêu cầu và sau đó được cấp phát bởi điểm truy nhập. Thông tin về các nguồn tài nguyên được cấp phát trong đường lên là quảng bá thông qua đường xuống đến tất cả các đầu cuối người dùng. Dịch vụ rtPS được dành cho các luồng lưu lượng thời gian thực mà phát các gói dữ liệu kích cỡ thay đổi trên nền tảng định kì như là video MPEG. Bộ lập lịch BS đưa ra các cơ hội yêu cầu băng tần đường lên theo định kì, thời gian thực. SS sử dụng cơ hội yêu cầu UL-BW đã đưa ra để chỉ định việc chấp nhận UL-BW được mong muốn. SS không thể sử dụng yêu cầu BW trên cơ sở tranh chấp. Dịch vụ kiểm soát vòng phi thời gian thực (nrtPS):Dịch vụ này cung cấp kĩ thuật lập lịch đường lên giống như rtPS mà không thăm dò góc trễ thấp. Phù hợp nhất với các luồng lưu lượng phi thời gian thực yêu cầu dữ liệu kích cỡ thay đổi chấp nhận trên nền tảng cách đều nhau như là FTP độ rộng dải tần cao. Cho các dịch vụ nrt-VBR như truyền tệp, cần nhiều độ rộng dải tần. Bộ lập lịch BS sẽ cung cấp các cơ hội yêu cầu UL-BW theo thời gian (khoảng 1s hay ít hơn). SS có thể sử dụng các cơ hội yêu cầu BW trên cơ sở tranh chấp để gửi yêu cầu BW. Dịch vụ Best Effort (BE):Với dịch vụ này, các khoảng thời gian yêu cầu tranh chấp, các cơ hội yêu cầu đơn điểm hay các loại burst chấp nhận dữ liệu có thể được cấp phát. Trong cách này, các yêu cầu tài nguyên có thể tranh chấp chỉ trong khi kết nối đang xảy ra. Các gói dữ liệu được phát qua các tài nguyên được dành riêng theo các yêu cầu tài nguyên bởi bộ lập lịch đường lên trong điểm truy nhập. Cho lưu lượng best-effort ví dụ như HTTP, SMTP. SS sử dụng các cơ hội yêu cầu BW trên cơ sở tranh chấp. Lớp con an ninh Hai chức năng chính: Bảo mật qua các không gian truyền dẫn. Bảo vệ khỏi các đánh cắp dịch vụ. Lớp con bảo mật thực hiện mã hóa dữ liệu trước khi truyền đi và giải mã dữ liệu nhận được từ lớp vật lý. Nó cũng thực hiện nhận thực và trao đổi khóa bảo mật. Chuẩn IEEE 802.16 ban đầu sử dụng phương pháp DES 56 bit cho mã hóa lưu lượng dữ liệu và phương pháp mã hóa 3-DES cho quá trình trao đổi khóa. Trong mạng IEEE 802.16, trạm gốc chứa 48 bit ID nhận dạng trạm gốc (chú ý rằng đây không phải là một địa chỉ MAC), còn SS có 48 bit địa chỉ MAC 802.3. Có 2 giao thức chính hoạt động trong lớp con bảo mật: giao thức mã hóa dữ liệu thông qua mạng băng rộng không dây, và giao thức quản lý khóa bảo và bảo mật (PKM- Privacy and Key Management Protocol) đảm bảo an toàn cho quá trình phân phối khóa từ BS tới SS. Nó cũng cho phép BS đặt điều kiện truy nhập cho các dịch vụ mạng. Giao thức PKM sử dụng thuật toán khóa công khai RSA, chứng thực số X.509 và thuật toán mã hóa mạnh để thực hiện trao đổi khóa giữa SS và BS. Giao thức bảo mật này dựa trên giao thức PKM của DOCSIS BPI+ đã được cải tiến để cung cấp một lược đồ mã hóa mạnh hơn như chuẩn mã hóa cải tiến AES. MAC trong IEEE 802.16 là phân lớp hướng kết nối, được thiết kế cho các ứng dụng truy nhập không dây băng rộng theo cấu hình điểm đa điểm (PMP), hay dạng mesh. Có hai loại kết nối MAC được xác định bởi 16 bit nhận dạng kết nối CID là: Các kết nối quản lý và Các kết nối vận chuyển dữ liệu. Các kết nối quản lý lại gồm 3 loại: cơ sở, sơ cấp thứ cấp Trong đó cơ sở sử dụng cho truyền tải, điều khiển liên kết vô tuyến...,còn sơ cấp liên quan đến thiết lập nhận thực và kết nối, và kết nối quản lý thứ cấp là các bản tin quản lý dựa trên chuẩn truyền tải như DHCP, TFTP, SNMP. Kết nối quản lý sơ cấp và kết nối cơ sở được tạo ra khi một MS/SS ra nhập vào một BS phục vụ của mạng. Kết nối vận chuyển dữ liệu có thể được thiết lập dựa trên nhu cầu. Chúng được sử dụng cho các luồng lưu lượng người sử dụng, các dịch vụ đơn hướng (Unicast) và đa hướng (Multicast). Các kênh bổ sung cũng được MAC dự trữ để gửi ra ngoài các thông tin lập lịch đường xuống và đường lên. Các thành phần cơ bản của mạng là trạm gốc BS và trạm thuê bao SS (Subscriber Station), trạm gốc BS giống như các điểm truy nhập (AP) trong mạng WiFi. BS được nối với phần hữu tuyến, nó phát quảng bá các thông tin tới SS. Khác với phương pháp CSMA/CA trong 802.11, 802.16 sử dụng các ánh xạ đường xuống và đường lên để khắc phục xung đột trong môi trường truy nhập. SS sử dụng phương thức truy nhập TDMA để chia sẻ đường lên trong khi BS sử dụng phương thức TDM. Tất cả các chức năng này được thực hiện thông qua bản tin DL_MAP và UL_MAP. Cấu trúc của MAC frame TDD Chuẩn IEEE 802.16 bao gồm 2 kỹ thuật song công chính: Time Division Duplexing (TDD) và Frequency Division Duplexing (FDD). Việc lựa chọn một kỹ thuật song công này hoặc kỹ thuật song công khác có thể ảnh hưởng đến tham số PHY nhất định cũng như tác động đến những tính năng vốn có thể được hỗ trợ. Chế độ FDD: các kênh uplink và downlink được định vị trên các tần số riêng biệt. Một khung thời gian cố định được sử dụng cho các cuộc truyền uplink và downlink. Điều này làm dễ dàng sử dụng các loại điều biến khác nhau Chế độ TDD: các cuộc truyền uplink và downlink chia sẻ cùng một tần số nhưng chúng xảy ra vào các thời điểm khác nhau. Một frame TDD Frame con Downlink OFDM PHY TDD DL-subframe bao gồm : Một downlink PHY PDU bắt đầu với một preamble dài vốn cho phép đồng bộ hóa PHY để lắng nghe các SS. Một SS lắng nghe đồng bộ hóa với downlink sử dụng preamble. Theo sau preamble là một chớp tín hiệu Frame Control Header (FCH). FCH chứa Downlink Frame Prefix ( DLFP) vốn xác định burst profile và chiều dài của tối thiểu một chớp tín hiệu downlink theo sau ngay FCH. Một số burst profile và chiều dài downlink lên đến bốn sau FCH, có thể được xác định trong DLFP. Một trường HCS chiếm byte cuối cùng của DLFP Đối với OFDM PHY, chuẩn xác định rằng DLFP là một ký hiệu OFDM có sự điều biến và phương pháp mã hóa mạnh nhất. Sự điều biến và phương pháp mã hóa có thể được xem là BPSK với tốc độ mã hóa là 1/2. Mỗi chớp tín hiệu downlink có thể được gởi đến một (unicast) hoặc nhiều SS( multicast hoặc broadcast). Một thông báo DL-MAP (bộ chỉ báo việc sử dụng frame downlink, xem bên dưới), nếu được truyền trong frame hiện hành (một trường hợp nơi không cần đến DL-MAP. DLFP xác định tất cả burst profile của frame con downlink), phải là MAC PDU đầu tiên trong chớp tín hiệu theo sau FCH. Một thông báo UL-MAP ( bộ chỉ báo việc sử dụng frame uplink, xem bên dưới) theo ngay sau thông báo DL-MAP ( nếu có một) hoặc FCH. Nếu các thông báo UCD và DCD được truyền trong frame, chúng theo ngay sau các thông báo DL-MAP và UL-MAP. Theo sau FCH là một hoặc nhiều chớp tín hiệu downlink. Cùng một hoặc nhiều burst profile có thể được sử dụng nhiều lần. Những chớp tín hiệu downlink này được truyền theo thứ tự tính mạnh mẽ giảm dần của các burst profile của chúng. Hình 2.11: Cấu trúc khung TDD của WiMAX [6] Frame con Uplink OFDM PHY Một frame con uplink OFDM PHY gồm 3 phần chung theo thứ tự sau: Các slot tranh chấp cho phép initial ranging ( xác định phạm vi ban đầu). Thông qua Initial Ranging IE, BS xác định một khoảng thời gian trong đó các trạm (station) mới có thể gia nhập mạng. Các gói được truyền trong thời gian này sử dụng thông báo quản lý RNG-REQ ( Ranging Request) MAC và được truyền bằng cách sử dụng một thủ tục tranh chấp vì các xung đột có thể xảy ra với các SS đến khác Slot tranh chấp cho phép các yêu cầu băng thông. Thông qua Request IE, BS xác định một khoảng thời gian uplink trong đó các yêu cầu có thể thực hiện cho một băng thông để truyền dữ liệu uplink Một hoặc nhiều PHY PDU uplink, mỗi cái được truyền trên một chớp tín hiệu. Từng PDU này là một frame con uplink được truyền từ một SS khác. Một PDU có thể truyền trong một thông báo SS MAC 2.2 Luồng dịch vụ và các lớp dịch vụ 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: 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. 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. 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. 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. 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 Scheduling 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 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. 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. 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 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 3Thuật 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) v 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. v 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 802.16 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, SS phản đối cơ hội yêu cầu băng thông 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: v Ước lượng được băng thông yêu cầu đúng lúc và chính xác. v Không lãng phí băng thông và cũng không phải thiếu băng thông. v 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 đề nghị trong [3] 3.3.1.1. Giới thiệu về mục tiêu trễ (target delay) Mục tiêu trễ đóng vai trò chính trong việc xác định số lượng băng thông phải điều chỉnh. Hầu hết các dịch vụ thời gian thực có độ trễ điểm tới điểm đến một mức mà QoS không bị suy giảm, vd 100 ~ 200ms cho dịch vụ VoIP và vài trăm miligiây cho dịch vụ phát luồng (streaming). Bằng cách dùng mục tiêu trễ cho phép này chúng ta có thể đặt một mục tiêu trễ từ MAC tới MAC, Tref (sec) và chuyển nó thành mục tiêu chiều dài Qref(byte), của hàng đợi truyền, theo các giả thiết hợp lý sau đây. v Một kiểm soát cho truy nhập vào được áp dụng cho các dịch vụ thời gian thực để tổng số lượng băng thông yêu cầu của chúng không được qua dung lượng kênh có sẵn trên bình quân. v Bộ lập lịch dùng thuật toán lập lịch ưu tiên nghiêm ngặt để cấp phát băng thông cho các dịch vụ thời gian thực với độ ưu tiên cao. Một kết nối ertPS được thiết lập thế nào để khoảng thời gian cấp phát băng thông cho nó Ta (sec) bằng khoảng thời gian gói hóa của dịch vụ thời gian thực, luôn ổn định. v Dung lượng backhaul của đường kênh kết nối mạng truy cập không dây tới mạng có dây là đủ lớn để không gây nên bất cứ trễ hàng đợi nào trong BS cho kết nối UL. Với những giả thiết đó, Qref có thể được biểu diễn theo Tref và Ta như sau: Qref= Trong đó (byte) nghĩa là cỡ gói trung bình và T0 (sec) thể hiện những độ trễ khác ngoại trừ độ trễ hàng đợi, vd độ trễ xử lý tại lớp MAC và trễ truyền qua kênh không dây. Đáng chú ý là Tref không bao gồm độ trễ mã hóa, trễ gói hóa, và trễ bộ đệm tại lớp ứng dụng. Ta cho cỡ của hàng đợi truyền là q(t) (byte) và băng thông bổ sung yêu cầu cho q(t) là D bq(t) (byte/sec). Khi q(t) tăng qua Qref, D bq(t) cần phải tăng theo để thoả mãn độ trễ yêu cầu. Bây giờ, ta xem xét một vài phương pháp để tính toán D bq(t), Ta định nghĩa db là số lượng băng thông cần thiết để truyền một gói mà cỡ của nó là . a. Hàm nhảy bậc b. Hàm tuyến tính c. hàm không tuyến tính Hình 3.1: Một vài hàm để tính toán băng thông bổ sung yêu cầu phụ thuộc vào chiều dài hàng đợi[3]. Như chỉ ra trong hình 3.1a cách thô sơ để điều khiển băng thông yêu cầu là: Băng thông yêu cầu tăng thêm db nếu q(t) lớn hơn một giá trị ngưỡng tối đa (>Qref) và giảm đi db nếu q(t) xuống thấp hơn một giá trị ngưỡng tối thiểu (<Qref). Một cách khác, chúng ta có thể tính Dbq(t) theo tỷ lệ với sự khác nhau giữa q(t) và Qref như chỉ ra trong hình 3.1b. Trong phương pháp này, chúng ta có thể đặt giới hạn dưới và giới hạn trên cho Dbq(t), được định nghĩa lần lượt là dmax (>0) và dmin (<0) để tránh thay đổi đột ngột cho Dbq(t). Ta cũng có thể xét một hàm không tuyến tính để tính Dbq(t) như chỉ ra trong hình 3.1c. Trong phương pháp này, Dbq(t) thay đổi rất nhanh khi có sự sai lệch giữa q(t) và Qref tăng. 3.3.1.2 Phương pháp phản tiếp kép (dual feedback) Điều khiển yêu cầu băng thông dựa trên chiều dài hàng đợi, Dbq(t), đáp ứng chậm với sự thay đổi của tốc độ gói đến bởi vì Dbq(t) thay đổi sau khi phát hiện độ lệch của chiều dài hàng đợi từ mức mong muốn. Để có đáp ứng nhanh chúng ta giới thiệu phương pháp phản hồi kép bao gồm hai vòng lặp phản hồi cho chiều dài hàng đợi và cho tốc độ gói. Ta định nghĩa tốc độ gói đến và tốc độ được kênh cung ứng (tức tốc độ gói kênh cho đi) lần lượt là a(t) và s(t) (byte/giây), và một yêu cầu băng thông bổ sung khi không khớp tốc độ là Dbr(t) (byte/giây). Cũng như thông tin của chiều dài hàng đợi không khớp, eq(t)=q(t)-Qref, được sử dụng để tính toán Dbq(t), thông tin về tốc độ không khớp, er(t)=a(t)-s(t), được tận dụng để tính Dbr(t). Khi tốc độ đến của gói đến vượt qua tốc độ gói đi, tức là a(t) > s(t), thì những gói này bắt đầu được tích tụ. Trong trường hợp này, Dbr(t) phải dương để phục vụ tức thời các gói này mà không vi phạm đòi hỏi về độ trễ. Mặt khác, nếu a(t) <s(t), chiều dài hàng đợi có xu hướng giảm. Trong trường hợp này, sẽ yêu cầu băng thông ít hơn và Dbr(t) trở thành âm để không lãng phi băng thông. Phản tiếp tốc độ cung cấp thông tin dự đoán về chiều dài hàng đợi. Do đó, điều khiển yêu cầu băng thông dựa trên phản tiếp tốc độ cho ta đáp ứng dự đoán cho sự thay đổi chiều dài hàng đợi, và cung cấp đáp ứng nhanh cho sự thay đổi tốc độ gói đến. Toàn bộ yêu cầu băng thông bổ sung của kiến trúc phản hồi kép, DB(t), bao gồm thành phần dựa trên hàng đợi Dbq(t) và thành phần dựa trên tốc độ Dbr(t) và có thể biểu diễn dưới dạng chung như sau: D B(t)= D bq(t) + D br(t) (2) = f(eq(t)) + g(er(t)) Trong đó f(.) và g(.) là các hàm không âm như cho thấy trong hình 3.1. 3.3.2. Thuật toán và các vấn đề thực thi Trong phần này, ta sẽ cung cấp một thuật toán chi tiết cho thuật toán yêu cầu băng thông và thảo luận vài vấn đề về phần tiêu đề và thực thi nó. Từ (2), chúng ta xem xét những hàm tuyến tính f(.) và g(.) đơn giản sau: D B(t)= Kqeq(t) + Krer(t) (3) Trong đó thông số Kq và Kr là các hằng số điều khiển mà có giá trị không âm. Trong (3), tốc độ không khớp er(t) có thể được biểu diễn bằng không khớp về chiều dài hàng đợi, tức là: er(t) = a(t)-s(t) = q(t)= eq(t), với 0 < q(t) <Qmax (4) với Qmax là cỡ chiều dài hàng đợi tối đa. Để thực thi thuật toán này, chúng ta cần chuyển đổi hàm thời gian liên tục DB(t) thành hàm thời gian rời rạc bằng cách lấy mẫu mọi chu kỳ cấp phát băng thông, tức là DB[n]=DB(nTa), trong đó n là số nguyên không âm. Ta lấy xấp xỉ đạo hàm bằng cách sử dụng xấp xỉ Euler bậc một, tức là: eq(t) ≈ (5) Từ (3)-(5), chúng ta có thể tính toán yêu cầu băng thông DB[n] chỉ sử dụng giá trị hiện tại và trước đó của lỗi chiều dài hàng đợi. Nhớ rằng DB[n] chỉ là tăng hay giảm của yêu cầu băng thông trong suốt khoảng thời gian cấp phát thứ n và toàn bộ yêu cầu băng thông tương ứng trong suốt khoảng thời gian này, B[n] trở thành: B[n] =max (B[n-1] + D B[n] , Bmin) (6) Trong đó Bmin là số lượng cấp phát băng thông tối thiếu được yêu cầu cho vấn đề yêu cầu băng thông. Sau khi tính toán băng thông bổ sung DB[n], SS truyền tới BS băng thông DB[n], bằng cách truyền nó trên trường EPBR trong tiêu đề con của gói quản lý cấp phát (grant management subheader) của gói. Cỡ của trường EPBR là 11 bít và nó có 2 mode hoạt động, mode tăng dần và mode gộp lại. Nếu bit đầu tiên của EPBR được đặt là zero, thì 10 bit còn lại sẽ thể hiện yêu cầu băng thông tăng dần, ngược lại chúng thể hiện yêu cầu băng thông gộp. Do đó, nếu DB[n] > 0, nó có thể mang hai mode tăng dần và gộp lại. Ngược lại nếu DB[n] <0, SS sẽ tính B[n] như trong (6) và mang giá trị này đi với mode gộp lại. Để áp dụng thuật toán này cho trường hợp lưu lượng on-off, vd lưu lượng VoIP với khoảng im lặng bị khống chế, ta cần chi tiết thuật toán này. Nếu chiều dài hàng đợi giữ ở mức 0 dài hơn một thời gian ngưỡng cho trước, ta sẽ xác định rằng kết nối này trở thành không hoạt động và dừng ngay quá trình điều hợp cho yêu cầu băng thông. Trong suốt chu kỳ này, yêu cầu tổng băng thông trở thành giá trị tối thiểu của nó. Nếu kết nối này trở thành hoạt động trở lại, điều này có thể biết được một khi chiều dài hàng đợi dài hơn mức zero, ta khởi động lại quá trình điều hợp với giá trị khởi đầu của B[n], được thông báo bởi các thông số QoS của kết nối. Phần thông tin chi phí tối thiểu (overhead) liên quan đến cỏng lưng (piggybacking) yêu cầu băng thông là 2 byte, là cỡ của tiêu đề con của gói quản lý cấp phát, nghĩa là Bmin=2 trong phương trình (6). Chú ý rằng thông tin chi phí tối thiểu này là không thể tránh khỏi trong các dịch vụ lập lịch thời gian thực của IEEE 802.16 ( vd UGS và rtPS, cũng như ertPS). Mặt khác, thời gian tính toán của thuật toán này là không đáng kể. Số bước tính toán là khá nhỏ và SS chỉ phải theo dõi giá trị hiện tại và giá trị trước đó của chiều dài hàng đợi của nó mà không phải ước lượng tốc độ gói đến và tốc độ gói được truyền đi. Hơn nữa, việc tính yêu cầu băng thông được thực hiện bởi mỗi SS theo cách thức phân bố. Do vậy, thuật toán này không làm giảm tính khả năng co giãn (scalability) của BS. Mặc dù kiến trúc phản hồi kép được phát triển cho loại lập lịch ertPS, nhưng nó có thể áp dụng cho loại rtPS mà không cần sự thay đổi đáng kể nào và nó có thể nới rộng hơn cho các cơ cấu lập lịch khác dựa trên yêu cầu. 3.4. Phân tích thuật toán Mô hình hệ thống sẽ được trình bày và trạng thái ổn định được phân tích từ quan điểm lý thuyết điều khiển. Dựa trên sự phân tích này, một thiết kế đơn giản cho những tham số điều khiển sẽ được cung cấp 3.4.1. Mô hình hệ thống Ta có thể mô hình hóa kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông được mô tả trong mục trên với 3 phương trình động (i) độ sai lệch chiều dài hàng đợi, (ii) yêu cầu băng thông thêm vào, và (iii) yêu cầu băng thông tổng. Để dễ xử lý, ta khảo sát mô hình thời gian liên tục thay vì mô hình thời gian rời rạc. Từ (3), (4), (6), toàn bộ hệ thống có thể được coi như hệ thống phản tiếp tuyến tính bậc 3 với trễ thời gian: e’q(t) = a(t) – s(t) (7) ∆‘B(t) = Kqe’q(t) + Kre’’q(t) (8) B’(t) = (9) s(t) = (10) Phương trình động (9) thu được từ (6) với giả thiết rằng B[n-1] + B[n] > Bmin. Ở đây, (10) mô tả mô hình của thuật toán cấp phát băng thông ở BS và ( 1) định nghĩa tỷ số giữa băng thông được cấp phát bởi BS với băng thông được yêu cầu bởi SS. Dưới những giả thiết của kiểm soát truy nhập vào và việc lập lịch ưu tiên đề ra ở trên, trung bình 1. Ta nghiên cứu đặc tính và tính ổn định của kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông đã được đề nghị bằng cách sử dụng hàm truyền. Sử dụng biến đổi Laplace cho mô hình hệ thống được miêu tả trong (7) – (10) và xấp xỉ thời gian trễ như sự trễ bậc 1, ví dụ e-sTa 1/ (1 + Tas), chúng ta có hàm truyền bên dưới: G(s) = = (11) Hàm truyền (11) được đặc trưng bởi 2 tham số điều khiển (Kq và Kr) và khoảng thời gian cấp phát băng thông Ta. 3.4.2. Ảnh hưởng của những tham số điều khiển Trong mục nhỏ này, ta nghiên cứu thuật toán đề nghị dùng phân tích số. Để phép phân tích được đơn giản, ta giả sử rằng cỡ hàng đợi lớn nhất là vô hạn và đặt = 1. Hình 3.2(a) và 3.2(b) chỉ ra đáp ứng xung của hệ thống được đề nghị với một vài giá trị của Kq và Kr. Đáp ứng xung chỉ ra cách eq(t) suy giảm và trở nên ổn định với xung đầu vào a(t). Giá trị mặc định của Kq và Kr đặt là 0,05 và 0,01. Đầu tiên, chúng ta nghiên cứu ảnh hưởng của Kq từ hình 2(a). Nếu Kq = 0,01, eq(t) hội tụ tới zero với sự dao động không đáng kể. Tuy nhiên sự dao động của eq(t) tăng khi giá trị của Kq tăng. Với một vài giá trị tới hạn của Kq, ví dụ 0,2 trong sự phân tích số này, eq(t) dao động liên tục mà không hội tụ. Hơn nữa, ta thấy rằng nó phân kỳ khi Kq vượt quá giá trị tới hạn này. Tiếp theo, ta quan sát ảnh hưởng của Kr trên sự ổn định của hệ thống từ hình 2(b). Trong trường hợp Kr = 0,002, eq(t) dao động liên tục và phân kỳ, hàm ý rằng tổng số băng thông yêu cầu có thể tăng vô hạn. Tuy nhiên, nếu giá trị của Kr vượt quá giá trị ngưỡng này, hệ thống trở nên ổn định và độ dao động của eq(t) giảm khi Kr tăng. Bằng việc so sánh hình 3.2(a) và hình 3.2(b), chúng ta có thể thấy: (a) Ảnh hưởng của Kq (b) Ảnh hưởng của Kr Hình 3.2: Đáp ứng xung của hệ thống với những giá trị khác nhau của tham số điều khiển [3] Hệ thống trở nên không ổn định khi Kq tăng hoặc Kr giảm. Nếu ta không dùng điều khiển băng thông yêu cầu dựa trên tốc độ nghĩa là KD = 0 thì eq(t) trở nên phân kỳ. Những kết quả phân tích trên hỗ trợ tầm quan trọng của kiến trúc phản tiếp, nó đã truyền thông tin về sự sai lệch độ dài hàng đợi và sự không phù hợp tốc độ Phân tích tính ổn định Như được chỉ ra trong hình 2, độ dài hàng đợi tiến tới giá trị mong muốn tùy thuộc vào tham số điều khiển. Thật tối quan trọng là ta phải tìm ra điều kiện cho các tham số điều khiển để đảm bảo hệ thống được ổn định. Với mục đích này ta cung cấp điều luật ổn định dưới đây để có thể được sử dụng khi thiết kế cho những tham số điều khiển. ĐỊNH ĐỀ: Hệ thống yêu cầu cấp phát băng thông sử dụng kiến trúc phản tiếp kép là ổn định, nghĩa là chiều dài hàng đợi hội tụ tới giá trị đích mong muốn trong trạng thái ổn định, nếu và chỉ nếu những tham số điều khiển thỏa mãn điều kiện dưới đây. Kr - TaKq > 0 (12) Chứng minh: Từ (11), phương trình đặc trưng được cho là: s+ s+ (Krs + Kq) = 0 (13) Ta định nghĩa hệ số của số hạng thứ n trong (13) là an, ví dụ, a2 = 1/Ta. Do hệ thống đã cho là hệ thống tuyến tính bất biến theo thời gian, điều kiện ổn định có thể tìm được bằng cách áp dụng điều kiện Routh-Hurwitz cho (13). Kết quả điều kiện trở thành a1a2 – a3a0 > 0, chính là (12). HỆ QUẢ: Hệ thống yêu cầu-cấp phát băng thông mà không dùng điều khiển dựa trên tốc độ là không ổn định, bất chấp tới sự tăng thêm của giá trị điều khiển dựa trên hàng đợi. Do đó, phản tiếp tốc độ rất là quan trọng cho sự ổn định. Chứng minh: Hiển nhiên là điều kiện ổn định (12) không thể thỏa mãn với Kr = 0. CHƯƠNG 4Mô phỏng sử dụng Matlab Trong chương này, ta trình bày một thuật toán tốt hơn và chính xác hơn cho việc điều khiển yêu cầu băng thông dựa trên phản tiếp kép được đề nghị trong [3] và sử dụng ngôn ngữ MATLAB để khảo sát tính ổn định của hệ thống. 4.1 Thuật toán cải tiến Thuật toán thừa nhận rằng khoảng thời gian cấp phát băng thông Ta (sec) là bằng với khoảng thời gian gói hóa của dịch vụ thời gian thực, là hằng số. Mối quan hệ giữa mục tiêu trễ từ MAC tới MAC cho phép, Tref của dịch vụ và mục tiêu chiều dài hang đợi truyền tương ứng, Qref (bytes), là (1) (bytes) là cỡ gói trung bình và T0 thể hiện những độ trễ khác ngoại trừ độ trễ hàng đợi. Đặt q(t) là chiều dài hàng đợi tức thời, a(t) và s(t) lần lượt là tốc độ gói đến (tới kênh không dây) và tốc độ gói đi (từ kênh), toàn bộ yêu cầu băng thông ở thời điểm t là B(t) và yêu cầu thêm vào là ΔB(t), sau đó trong một hệ thống hồi tiếp kép ΔB(t) có hai thành phần: một suy ra từ sự không phù hợp về chiều dài hàng đợi eq(t)=q(t)-Qref và cái khác suy ra từ sự không phù hợp về tốc độ truyền er(t)=a(t)-s(t). Nhận thấy rằng đơn vị của eq(t) là byte trong khi đơn vị của er(t) là byte/sec, chúng ta có thể nhận thấy rằng Kr trong phương trình (3) của [3] không là hằng số nhưng có đơn vị của thời gian phụ thuộc vào khoảng thời gian gói đi Ta. Do đó ta đề nghị biến đổi thuật toán trong [3] thành (2) Sử dụng phương pháp tương tự trong [3], hàm truyền của kỹ thuật yêu cầu-cấp phát băng thông dựa trên thuật toán hồi tiếp kép mà ta đã biến đổi là (3) Bằng việc áp dụng điều kiện ổn định Routh-Hurwitz tới hàm truyền bên trên, nó có thể dễ dàng chỉ ra rằng thuật toán hồi tiếp kép mà ta đã biến đổi là ổn định nếu và chỉ nếu Cr > Kq (4) Không chú ý tới Ta. 4.2 Mô phỏng Ta khảo sát tính ổn định của thuật toán điều khiển băng thông yêu cầu dựa trên phản tiếp kép được cải tiến như đã đưa ra ở trên. Ta sẽ vẽ đáp ứng xung của hệ thống có hàm truyền là (3) và đánh giá tính ổn định khi các thông số Cr và Kq thay đổi. Từ đó chỉ ra rằng điều kiện (4) là đúng. Hình 4.1: Đáp ứng xung của hệ thống Trong hình 4.1 ta sẽ xem xét tính ổn định của hệ thống. Với Cr=0.25 đáp ứng xung hội tụ tới 0 với sự dao động không đáng kể. Với cùng giá trị Kq, Khi Cr suy giảm thì sự dao động tăng dần. Hệ thống trở nên không ổn định khi giá trị Cr tiến tới giá trị nhỏ hơn hoặc bằng Kq. Cụ thể trong hình 4.1 là giá trị Cr=0.15 Thời gian khảo sát càng kéo dài thì đường đỏ càng hội tụ dần về 0 (hệ thống càng ổn định) , độ dao động ứng với đường xanh càng lớn (mất dần tính ổn định). Hình 4.2: Đáp ứng xung của hệ thống Tiếp theo ta xem xét ảnh hưởng của các tham số Cr, Kq tới tính ổn định của hệ thống trong hình 4.2. Khi Cr=0.15<Kq=0.2 đáp ứng xung dao động liên tục và phân kỳ, có nghĩa là tổng số băng thông yêu cầu có thể tăng vô hạn. Khi Cr tăng vượt qua giá trị Kq=0.2 mà cụ thể trong hình 4.2 là 0.25 thì hệ thống trở nên ổn định Bằng việc so sánh giữa hình 4.1 và 4.2 ta rút ra được những nhận xét sau đây: Tính ổn định của hệ thống không phụ thuộc vào thời gian cấp phát băng thông Ta. Thời gian Ta chỉ ảnh hưởng tới tốc độ đáp ứng của hệ thống. Ta càng nhỏ thì nếu hệ thống là ổn định thì đáp ứng hội tụ về 0 với tốc độ nhanh, nếu hệ thống không ổn định thì đáp ứng phân kỳ với tốc độ chậm hơn. Các tham số Cr, Kq quyết định tới tính ổn định của hệ thống. Hình 4.3: Đáp ứng xung của hệ thống Trong hình 4.3 với giá trị Cr=0.5 được giữ cố định ta cho Kq các giá trị lần lượt là 0.01 (đường màu đỏ), 0.1 (đường màu xanh). Với cả 2 giá trị Kq hệ thống đều ổn định nhưng có sự khác nhau về sự mức độ dao động và tốc độ hội tụ về 0. Trong khoảng thời gian khảo sát từ 0 tới 0.2 (sec) với Kq=0.1 thì độ dao động của hệ thống là lớn hơn rất nhiều so với Kq=0.01. Từ khoảng thời gian 0.2 (sec) trở hệ thống ứng với Kq=0.1 lại hội tụ nhanh về giá trị 0 hơn và ổn định hơn. Hình 4.4: Đáp ứng xung của hệ thống Trong hình 4.4 ta khảo sát tính ổn định với giá trị thay đổi là Cr. Khi Cr=0.25 hệ thống ổn định và hội tụ dần về 0. Với Cr=0.1 đáp ứng xung phân kỳ, hệ thống không ổn định. Từ đó ta nhận thấy với giá trị Cr>Kq hệ thống là ổn định So sánh hình 4.3 và 4.4 với chú ý rằng Kr=Cr.Ta ta thấy dạng đồ thi ứng với hàm truyền G(s) trong thuật toán cải tiến là giống với dạng đồ thị ta đã nêu ra ở trong hình 3.2. Điều đó chứng tỏ rằng ta có thể thay thế hàm truyền G(s) chỉ ra trong [3] bằng hàm truyền của thuật toán cải tiến chỉ với các tham số Cr, Kq. Hơn nữa, với hàm truyền này điều kiện ổn định của hệ thống sẽ chỉ là Cr>Kq, không phụ thuộc vào thời gian cấp phát băng thông Ta. CHƯƠNG 5Kết luận Ta đã đưa ra thuật kỹ thuật yêu cầu băng thông động cho luu lượng thời gian thực VBR trong mạng truy cập không dây băng rộng IEEE 802.16. Bằng việc giới thiệu khái niệm về mục tiêu trễ, trễ cho phép của dịch vụ thời gian thực, ta có thể tính toán động toàn bộ băng thông yêu cầu cái mà tăng tối đa hiệu suất của kênh không dây mà không vi phạm yêu cầu độ trễ. Để làm cho đáp ứng với sự thay đổi của tải thông tin nhanh, ta đã giới thiệu kiến trúc hồi tiếp kép, ở đó sự khác nhau giữa chiều dài hàng đợi hiện tại và chiều dài mục tiêu mong muốn và sự không phù hợp về tốc độ giữa tốc độ gói đến và tốc độ gói đi được dùng như thông tin hồi tiếp. Do mục tiêu trễ và kiến trúc hồi tiếp kép, thuật toán được đề nghị điều chỉnh chiều dài hàng đợi quanh mức mong muốn, do đó nó có thể điều khiển trễ tới mức mục tiêu trong khi giảm thiểu méo do trễ. Ngoài ra, hiệu suất cấp phát băng thông được cải thiện bằng việc điều khiển toàn bộ băng thông yêu cầu phụ thuộc vào chiều dài hàng đợi và tốc độ gói đến. Ta đã phân tích trạng thái ổn định của kỹ thuật để nghị dựa trên một phương pháp hệ thống. Sử dụng phép phân tích này, ta đã thu được một thiết kế đơn giản dựa trên thuật toán đề nghị và đã chứng minh rằng điều khiển dựa trên tốc độ trong yêu cầu băng thông là cần thiết cho sự ổn định. Hơn nữa ta đã thực hiện mô phỏng thuật toán bằng Matlab để từ đó rút ra nhận xét về sự ảnh hưởng của các tham số điều khiển tới tính ổn định của hệ thống. Tài liệu tham khảo [1] Đỗ Ngọc Anh, “WiMAX di động: Tổng quan kỹ thuật – Đánh giá hoạt động”, Tạp chí công nghệ bưu chính viễn thông và công nghệ thông tin. [2] Trịnh Quốc Tiến, Hướng dẫn sử dụng WiMAX, Nhà xuất bản Hồng Đức, 2008. [3] Eun-Chan Park, Hwangnam Kim, Jae-Young Kim, and Han-Seok Kim, Dynamic Bandwidth Request-Allocation Algorithm for Real-Time Services in IEEE 802.16 Broadband Wireless Access Networks. [4] Professor Thong Nguyen, WiMAX Workshop, International Conference on Advanced Technologies for Communications 2008, Hanoi 6-10 October 2008. [5] Syed Ahson and Mohammad Ilyas, Wimax Standards and Security. [6] Prentice.Hall.Fundamentals.of.WiMAX.Feb.2007. [7] WiMAX Forum, FAQ, Oct 2006. Available at www.wimaxforum.org. [8] WiMAX-Overview and Performance _Sanida Omerovic, Faculty of Electrical Engineering,University of Ljubljana, Slovenia. [9] [10] [11] …v…v