Thành viên:Jeremy Nguyen

TỔNG QUAN IEEE 802.16 - RESERVATION-MAC PROTOCOL (R-MAC)

IEEE 802.16, một chuẩn truy nhập không dây băng rộng đặc tả tầng vật lý (PHY) và tầng điều khiển đa truy nhập trong kỹ thuật mạng không dây, được ứng dụng trong hệ thống mạng ở các khu vực đô thị (WirelessMAN). Sự ra đời của chuẩn IEEE 802.16 đã giúp hỗ trợ tối đa các ứng dụng kết nối băng thông rộng đến gia đình hay doanh nghiệp. Với khả năng phủ sóng rộng, mạng theo chuẩn IEEE 802.16 có thể trở thành một công nghệ thay thế hấp dẫn đối với các công nghệ mạng truyền thống trước đó bao gồm các dịch vụ như đường thuê bao số như xDSL, cáp quang, các mạng cable đồng trục. Công nghệ này cung cấp một tốc độ dữ liệu cao hơn, hỗ trợ hàng trăm dữ liệu đầu cuối trên mỗi liên kết, có thể chuyển đổi các loại hình truyền tải khác nhau trong những yêu cầu về chất lượng dịch vụ cụ thể.
Chuẩn IEEE 802.16 là một chuẩn đưa ra với nền tảng chất lượng dịch vụ cao. Các phương pháp truy nhập khác nhau được hỗ trợ cho từng kiểu truyền tải dữ liệu. Best Effort (BE) là một trong những phương pháp nổi bật, nó chiếm phần lớn số lưu lượng dữ liệu tổng thể. Điều khiển đa truy nhập MAC (Multiple Access Control) được đề xuất kết hợp với phương pháp truy cập dựa trên việc chiếm giữ trước nguồn tài nguyên (R-MAC). Khi người sử dụng yêu cầu dịch vụ chiếm giữ trước tài nguyên có nghĩa là họ sẽ được toàn quyền sử dụng khoảng băng thông hay khe thời gian ấy trong suốt thời gian của phiên liên lạc. Giao thức R-MAC trở thành một phương pháp truy nhập chính trong công nghệ truy nhập băng rộng, nó đã từng được ứng dụng ở những công nghệ trước đây như GPRS, DSL (đường dây thuê bao số), HFC (hệ thống cable quang, cable đồng trục tích hợp) và bây giờ là trong WirelessMAN.
Trong giao thức R-MAC, thời gian được chia thành các khung và các khe vật lý, trong khung có thể chứa các contention-based reservation (một dạng thủ tục trước khi người sử dụng muốn truy cập vào một trạm BS (base station), để được cấp một phần tài nguyên) hay để truyền tải dữ liệu. Hầu hết các phiên bản thương mại có sử dụng R-MAC, phương thức dịch vụ được sử dụng dựa trên phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) vì tính đơn giản, dễ thực hiện. Cơ chế yêu cầu cấp phát tài nguyên thực sự hữu ích trong việc cải thiện, tận dụng nguồn tài nguyên trên các hệ thống TDMA thuần túy.
Trong hệ thống R-MAC, các trạm thu phát của thuê bao SSs (subscriber stations) muốn thực hiện việc truyền tải thì phải tạo một reservation trước khi việc cấp phát tài nguyên được chấp nhận. Và với phương thức này, giai đoạn truyền tải dữ liệu sẽ được thực hiên qua việc tập trung các data slots (DSs) đáp ứng các yêu cầu của SSs. Các gói reservation request có kích thước nhỏ hơn các gói tin thông thường, chính vì vậy nó giúp tài nguyên được tận dụng một cách triệt để hơn. Mặt khác, R-MAC còn có thể hỗ trợ đối với các dịch vụ dữ liệu nhạy cảm với trễ (delay-sensitive) như thoại và dữ liệu không nhạy cảm với trễ (delay-insensitive) trong dữ liệu thường.

IEEE 802.16 VÀ GIAO THỨC ĐA TRUY NHẬP

Khái quát

Giao thức đa truy nhập trong IEEE 802.16 hỗ trợ cả đa truy nhập song công phân chia theo tần số (FDD) và song công phân chia theo thời gian (TDD).

FDD: Tín hiệu uplink và downlink được truyền cùng lúc trên hai băng tần riêng biệt. Bản tin DL-MAP xác định việc sử dụng khoảng thời gian làm việc cho đường truyền hướng xuống. Với việc xác định như vậy, ở phía thuê bao sẽ dễ dàng hơn trong việc điều chỉnh để bắt các gói tin trong chuỗi dữ liệu phát từ trạm gốc (base station) ứng với sự đồng bộ của phương thức ghép kênh theo thời gian (TDM). Tương tự như vậy, bản tin UL-MAP xác định khoảng thời gian làm việc cho đường truyền hướng lên. Điều này sẽ giúp cho phía thuê bao sắp xếp phiên truyền tải trong khung hiện hành với khe thời gian cụ thể. Khung đa truy nhập bao gồm các khung có độ dài cố định, khung con cho đường xuống, khung con cho đường lên. Một chiều dài khung cố định như vậy sẽ có rất nhiều ưu điểm như:
- - Tạo điều kiện cho việc sử dụng các kiểu điều chế khác nhau.
  - Cho phép việc sử dụng đồng thời các trạm phía đầu thuê bao truyền tải song công và bán song công.
  - Đơn giản hóa các thuật toán phân bổ tài nguyên.

TDD: Cả hai subframes cho đường lên và đường xuống đều được truyền trên cùng một băng tần nhưng thời gian riêng rẽ.

Tập tin:Subframes.png

Downlink Broadcast

Đường truyền hướng xuống từ trạm gốc BS đến trạm thuê bao SSs là một dạng mô hình kết nối điểm - đa điểm. Một trạm gốc được trang bị antenna đẳng hướng, và thực hiện phiên truyền tải mà không cần phải liên kết với bất cứ một trạm gốc BS khác. Trạm thu sẽ kiểm tra thông tin địa chỉ có trong bản tin DL-MAP và ghi nhớ lại những bản tin này hay nơi dữ liệu cần gửi đến.

Đa truy nhập hướng lên

Khác với đường truyền hướng xuống downlink, đường truyền hướng lên thực hiện theo mô hình liên lạc đa điểm - điểm. Các trạm đầu thuê bao SSs chia sẻ môi trường đường truyền lên cùng với dữ liệu được phát đi đến trạm gốc. Chính vì thế, việc tổ chức việc truy nhập của các thuê bao là điều cần thiết để nâng cao chất lượng hay hiệu suất sử dụng tài nguyên cho đường truyền hướng lên. Quá trình truy nhập có thể được phân loại qua hai loại hình đó là truy nhập có tranh chấp và truy nhập không tranh chấp. Trong IEEE 802.16, R-MAC được sử dụng kết hợp với dịch vụ đa truy nhập chỉ định theo yêu cầu (DAMA) và công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA). Các khung con trong đường truyền hướng lên được chia thành các khe vật lý, physical slots (PSs). Số khe vật lý này có thể được nhóm lại thành một reservation opportunity hay còn gọi là một CS (contention slot) hoặc một DS (data transmission opportunity). Kích thước của DS thường lớn hơn so với CS để giảm bớt sự tắc nghẽn trong đường truyền. Tuy vậy nhưng trong vô tuyến luôn xảy ra hiện tượng nút cổ chai, chính vì thế người ta đặt ra các loại hình dịch vụ khác nhau với các mức chất lượng dịch vụ tùy theo nhu cầu sử dụng của người sử dụng.

Unsolicited Data Grants (UGS): Dịch vụ cấp tự nguyện, được thiết kế để hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi thời gian thực bao gồm các gói dữ liệu có kích thức cố định được phát ra theo từng khoảng tuần hoàn, ví dụ điển hình như Voice-over IP. Trong UGS, quá trình truy nhập có tranh chấp không xảy ra.
Real-time polling service (rtPS) flows: Hỗ trợ các dịch vụ đòi hỏi thời gian thực bao gồm các gói dữ liệu có kích thước thay đổi được phát ra theo từng khoảng tuần hoàn, ví dụ như MPEG video. Ở rtPS, các yêu cầu tranh chấp hay bổ sung sẽ không được đáp ứng.
Nonreal-time polling service (nrtPS) flows: Hỗ trợ các dịch vụ không đòi hỏi thời gian thực, bao gồm các gói dữ liệu có kích thước thay đổi, ví dụ như trong giao thức truyền tải file (FTP). Ở loại hình dịch vụ này trạm thuê bao được phép sử dụng các yêu cầu có tranh chấp hoặc bổ sung.
Best Effort (BE) service flows: Hỗ trợ các dịch vụ không yêu cầu một mức dịch vụ tối thiểu kết hợp với những yêu cầu kết nối có tranh chấp. Ứng dụng trong các dịch vụ có nhu cầu truyền tải dữ liệu, duyệt web…

Yêu cầu cấp phát và phân bổ tài nguyên

Một thuê bao muốn thiết lập một phiên truyền tải contention-based BE traffic (data transmission) trước tiên cần gửi một reservation request đến trạm gốc BS. Gói tin này yêu cầu thiết đặt một phiên kết nối hay yêu cầu cấp phát băng thông Bandwidth request (BWR) chứa thông tin khoảng tài nguyên cần thiết cho phiên truyền tải của thuê bao. Khi trạm thuê bao thành công trong việc gửi gói tin tranh chấp, nhu cầu cấp phát khoảng băng thông cần sử dụng được truyền đến trạm gốc BS. Khi đó BS sẽ đáp ứng với lượng băng băng thông được cấp phát trong khung con tiếp sau đó. Trạm gốc BS sẽ sắp xếp việc cấp phát băng thông theo cơ chế hàng đợi trong dịch vụ BE traffic.

Cơ chế phân giải tranh chấp

Trạm gốc BS tổ chức các hoạt động truyền tải trên các khung con dành cho đường truyền hướng lên bằng việc sử dụng bản tin UL-MAP. Trạm BS sẽ chỉ rõ các thành phần dùng làm contention và data transmission. Sự xung đột sẽ xuất hiện trong một khoảng thời gian tranh chấp khi có nhiều hơn một thuê bao (SS) muốn truy nhập hay có nhu cầu kết nối các phiên truyền tải dữ liệu. Việc phân giải xung đột dựa trên phương pháp tuncated binary exponential backoff (TBEB). Khi có xung đột xảy ra thì dựa trên giải thuật TBEB, CSs (contention slots) sẽ được truyền lại theo một phương thức nhất định. Lúc đó, trạm BS sẽ điều khiển và phân phối đến trạm thuê bao bằng cách sử dụng các bản tin truyền tải trên đường truyền hướng xuống.

Điều khiển cấp phát tài nguyên dành riêng

Hiệu suất sử dụng của giao thức R-MAC được thể hiện qua độ trễ trung bình các gói tin và thông lượng của hệ thống. Trong đó, khoảng thời gian trễ gói tin được tính bởi độ trễ bắt đầu từ lúc khởi tạo reservation request cho đến hoàn thành phiên truyền tải dữ liệu. Thông lượng hệ thống ở được coi như tỷ lệ phần trăm thời gian hệ thống sử dụng cho quá trình truyền tải các gói tin dữ liệu. Việc điều khiển cấp phát các khoảng thời gian chiếm dụng nhằm tối ưu hóa khoảng thời gian trễ và thông lượng khi sử dụng giao thức R-MAC là một điều cần thiết.

Một cách để tối ưu hóa hiệu suất trong giao thức R-MAC đó là việc điều khiển tỷ lệ giữa khoảng thời gian chiếm dụng và khoảng truyền tải dữ liệu ở các khung con cho đường truyền hướng lên. Tỷ lệ này được điều chỉnh một cách liên tục tùy vào các đặc tính khác nhau của môi trường mạng từ một khung sang một khung khác. Vì thông tin điều khiển được trao đổi giữa trạm gốc BS và trạm thuê bao SSs tại thời điểm bắt đầu của một khung, nên sự điều khiển khoảng thời gian chiếm dụng sẽ được kích hoạt vào thời điểm này. Hay nói cách khác, tại thời điểm bắt đầu của một khung, bộ điều khiển được kích hoạt để quyết định tỷ lệ giữa khoảng thời gian tranh chấp và khoảng thời gian phục vụ . Trong bất kỳ một khung, hai thông số nên được xem xét khi muốn tối ưu tỷ lệ này là: số lượng BWRs (bandwidth requests) trong thời gian tranh chấp và số lượng gói tin đang trong dịch vụ hàng đợi của BS. Dựa trên những yếu tố này, thông số về hiệu suất hệ thống (độ trễ và lưu lượng) xác định tỉ lệ tối ưu các khoảng trễ xảy ra kéo dài và hiệu suất thông lượng của hệ thống. Việc điều khiển các khoảng thời gian chiếm dụng được xử lý qua các chức năng điều khiển linh động, được mô tả sơ lược qua mô hình dưới đây: Tập tin:RESERVATIONPERIODALLCATION.png

Input Information

Thông tin này rất cần thiết cho việc điều khiển tối ưu. Trong đó, khoảng thời gian trễ do tranh chấp là khoảng thời gian trung bình một BWR (bandwidth request) xuất hiện trong quá trình tranh chấp. Độ trễ cho việc truyền tải là khoảng thời gian trung bình tính từ lúc một gói tin chờ đợi việc các BWR được truyền đi kết nối thành công đến trạm gốc BS cho đến khi hoàn thành việc truyền tải các gói dữ liệu. Các giá trị của những chỉ số này mô tả việc cấp phát các khoảng thời gian yêu cầu và khoảng thời gian cho việc truyền tải được xử lý như thế nào. Và cuối cùng, thành phần thứ ba là Traffic information hay còn gọi là đặc tính lưu lượng truyền tải.

Contention delay information: Thông tin độ trễ trong tranh chấp.

Các giao thức R-MAC được sử dụng trong các công nghệ trước đây như đường dây thuê bao số DSL, mạng tích hợp cable quang và cable đồng trục HFC, GPRS và bây giờ là chuẩn IEEE 802.16, số lượng BWRs trong thời gian xảy ra tranh chấp được coi như một giá trị đo đạt độ trễ vì trạm gốc BS không có khả năng nhận dạng trực tiếp sự tranh chấp giữa các trạm thuê bao với nhau.

Data transmission delay: Độ trễ trong truyền tải dữ liệu.

Lưu trữ thông tin chính xác về khoảng trễ của các gói dữ liệu trong việc chờ đợi dịch vụ từ trạm gốc BS sau chuỗi hàng đợi trước đó. Tương tự với thông tin độ trễ trong tranh chấp, người ta sử dụng số lượng gói dữ liệu để làm thước đo cho độ trễ trong sự truyền tải dữ liệu.

Traffic information: Thông tin lưu lượng.

Nằm ở phần đầu của khung. Do trạm gốc BS không có khả năng nhận dạng đặc tính lưu lượng đến của BWR, nên việc định rõ đặc điểm lưu lượng BWR được tính theo xác suất mà trạm thuê bao truyền đi một BWR trong một CS (Contention Slot), và xác suất này được sử dụng để đặc trưng thay cho thông tin lưu lượng truyền tải.

Bộ điều khiển tối ưu

Như đã nói ở trên, mục đích của việc điều khiển tối ưu là để tính toán sự tối ưu đối với chu trình thiết đặt yêu cầu của đối tượng để tăng hiệu suất hệ thống. Việc điều khiển sắp xếp các yêu cầu được điều chỉnh tại thời điểm ở đoạn đầu mỗi khung. Bất kỳ một sự tối ưu có tính ưu việt trong hiệu suất sẽ được thay thế vào mỗi khi hệ thống xuất hiện tình trạng đình trệ. Những đặc tính cần trong việc điều khiển tối ưu đó là thời gian chấp nhận xử lý đảm bảo nhỏ, thích ứng trong việc thực thi xử lý với các điều kiện môi trường truyền dẫn, và việc điều khiển có khả năng điều chỉnh một cách linh hoạt để cải thiện độ trễ và hiệu suất thông lượng truyền tải. Do đó, việc điều khiển tối ưu có những đặc tính riêng chủ yếu để nâng cao hiệu suất hơn là dùng để ổn định.

NHẬN XÉT

So với các công nghệ trước đây, chuẩn IEEE 802.16 cho phép người sử dụng các dịch vụ băng rộng và di động một cách linh hoạt và hiệu quả hơn. Chính vì những đặc tính đa dạng như vậy, công nghệ đang được nguyên cứu phát triển để tối ưu hóa hiệu suất trong việc sử dụng giao thức R-MAC. Việc yêu cầu cấp phát đường truyền được điều chỉnh dựa theo đặc tính của lưu lượng, và sự thực thi một cách linh hoạt đã giúp cho hiệu suất hệ thống tăng cường một cách đáng kể.