Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
hiệu chỉnh tần số trong suốt quá trình chuyển giao, đó chính là đặc tính quan trọng
nhất của giao thức chuyển giao bàn cờ.
2.3.2 Kiến trúc mạng
Đối với mạng WLAN, do cấu trúc mạng cần đơn giản, các thiết bị giá thành rẽ
nên thường mạng sử dụng các kỹ thuật càng đơn giản càng tốt. Đối với mạng WLAN
trong chương này ta giả sử chúng có đặc tính sau: (1) song công phân tần số và (2)
khả năng thay đổi kênh RF động. Hình vẽ 2.3 chỉ ra một ví dụ về kiến trúc RoF được
ứng dụng trong mạng WLAN.
Với kiến trúc này, mạng sử dụng phương pháp điều chế sóng mang con, phương
pháp đơn giản và có thể sẽ được sử dụng rộng rãi trong mạng RoF. Trong kỹ thuật
này, dữ liệu từ tuyến truyền dẫn theo hướng downlink (từ CS tới MH) đầu tiên được
điều chế lên miền tần số RF thích hợp bởi một nguồn vô tuyến (được gọi là
subcarrier) sau đó mới được điều chế lên miền quang (được gọi là maincarrier) bằng
một nguồn quang. Tín hiệu này được truyền trên sợi quang đến BS, ở đây các tín hiệu
quang lại được chuyển về thành tín hiệu vô tuyến và được phát đi từ BS đến các MH.
Đối với tuyến uplink (từ MH đến CS) thì các tín hiệu nhận được ở BS sẽ được điều
chế sang miền quang bằng một nguồn quang. Nó được truyền dẫn thông qua tuyến
quang tới CS và được giải điều chế sang tín hiệu vô tuyến ở đây bởi PD. Sau đó các
dữ liệu của mỗi user sẽ được tách ra. Do đặc điểm của mạng WLAN là khoảng cách
từ BS đến các CS là khoảng vài trăm mét nên ảnh hưởng của các hiện tượng phi
tuyến lên tần số RF là tương đối thấp, vì thế tín hiệu truyền trên sợi quang được
truyền ở tần số RF. Hoạt động được mô tả trong hình 2.3.
31
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
Hình 2.3 Kiến trúc mạng RoF cho WLAN
Với kiến trúc cho mạng WLAN này thì mỗi CS sẽ có rất nhiều bộ thu phát (TRX)
bằng với số lượng của BS, và mỗi bộ thu phát bao gồm (1) nguồn sáng để phát tín
hiệu như laser, (2) một PD cho hướng uplink (3) và một modem để phát và nhận dữ
liệu ở miền RF. Nhìn vào cấu hình trên ta cũng thấy rằng BS chỉ có những chức năng
đơn giản là thu và phát tín hiệu, ngoài ra không có chức năng xử lý tín hiệu nào được
thực hiện ở BS. Đối với mạng WLAN chúng ta đang khảo sát thì các bộ điều chế
ngoài được sử dụng thay cho các LD vì chúng hoạt động ở tần số 60GHz, tần số mà
các LD không thể đáp ứng kịp. Các bộ thu phát có thể được trang bị các bộ dao động
có thể điều chỉnh được nhưng vì giá thành cao, nên đôi khi chúng được trang bị các
bộ dao động với tần số cố định. Sự thay đổi bộ giao động sẽ ảnh hưởng đến quá trình
phân bổ tần số cho mạng RoF này.
32
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
Hình 2.4 Hướng downlink
2.3.3 Mô tả giao thức MAC – Giao thức bàn cờ
a. Giới thiệu
Hình 2.5 Giao thức chuyển giao bàn cờ.
Như ta đã biết, trong mạng WLAN phủ sóng một tòa nhà (building) thì mỗi phòng
sẽ được phủ sóng bởi ít nhất một BS, gọi là một picocell. Do bán kính mỗi picocell
MHs
CS
RoF link
BS
f
opt
f
RF
33
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
là tương đối nhỏ nên tòa nhà sẽ được phủ sóng bởi rất nhiều các picocell, do đó quản
lý tính di động của các thiết bị trong mạng là một điều rất cần thiết. Trong mạng
WLAN, ta giả sử mạng sử dụng mạng hoạt động ở chế độ song công phân tần số
FDD (Frequency Devision Duplex), do các thiết bị sử dụng bằng phương pháp này
đơn giản, rẻ tiền và đang được phát triển rất thành công. Bằng cách phân chia băng
thông tổng của hệ thống thành 2n kênh với n kênh downlink được ký hiệu là f
1
, f
2
, …,
f
n
và n kênh uplink được ký hiệu là f
n+1
, f
n+2
, …, f
2n
. Chú ý rằng băng thông, bề rộng
phổ mỗi kênh tần số, của tuyến downlink và uplink là không đồng nhất, không giống
nhau, vì vậy mạng có khả năng hỗ trợ lưu lượng bất đối xứng. Hơn nữa, trục thời
gian cũng có thể được chia thành các các khe thời gian (time slot) bằng nhau và n khe
thời gian được nhóm lại thành một một khung. Hình 2.5 mô tả khung thời gian với
n=10.
b. Mô tả giao thức
Trước hết, khi MH tham gia vào quá trình truyền dữ liệu, nó sẽ được ấn định
một cặp kênh tần số nào đó trong 2n kênh vô tuyến mà mạng WLAN đó hỗ trợ (f
i
,
f
n+i
) i=1, 2, 3, …,n và một cặp khe thời gian (t
k
, t
k+1
) tuần hoàn chu kỳ n cho tuyến
downlink và uplink (xem hình). Khi MH nhận được tín hiệu cho phép truyền từ kênh
downlink f
i
trong khe thời gian t
k
thì nó được phép truyền dẫn các gói thông qua kênh
uplink f
i+n
trong khe thời gian kế tiếp t
k+1
. Mọi BS đều hổ trợ các kênh (tần số kết hợp
khe thời gian), tuy nhiên mỗi chúng chỉ được sử dụng những khe thời gian quy định
sẵn. Trong hình vẽ là một ví dụ với n=5. Trong mỗi khung thời gian, mỗi khe thời
gian trong n khe chỉ được sử dụng đúng 1 lần. Các picocell kề nhau không được sử
dụng lại kênh (được quy định bằng một mã FS) đó để tránh hiện tượng nhiễu giao
thoa đồng kênh. Một mã FS chỉ được sử dụng bởi một picocell và có thể được sử
dụng lại bởi một picocell khác khi khoảng cách của chúng đủ lớn để tránh hiện tượng
giao thao tín hiệu. Một vấn đề quan trọng trong giao thức này đó chính là vấn đề
đồng bộ. Do sử dụng phương pháp TDM nên việc đồng bộ giữa các thiết bị là không
thể thiếu, tuy nhiên vấn đề đồng bộ tần số và khe thời gian tương đối đơn giản. Với
giao thức này, việc đồng bộ phải được thực hiện trên toàn bộ các picocell, tức là các
34
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
picocell cũng phải được đồng bộ khe thời gian với nhau, việc đồng bộ các cell thật sự
đơn giản nhờ kiến trúc tập trung, CS sẽ đảm nhận vai trò đồng bộ này. Để đồng bộ
với các BS, các CS bắt đầu đo khoảng thời gian truyền tín hiệu đến BS rồi truyền
ngược về CS (round-trip time) gọi là RTT. Lúc đó CS có thể ấn định được khoảng
thời gian truyền từ BS tới CS là RTT/2 để đồng bộ các BS.
Giao thức chuyển giao bàn cờ đã được ứng dụng nhiều trong một số hệ thống sử
dụng phương pháp nhảy tần như BlueTooth thường thấy ở các điện thoại di động
ngày nay. Tuy nhiên trong mạng WLAN giao thức chuyển giao bàn cờ có một số
điểm khác biệt: (1) trong hệ thống nhảy tần thì các BS và MH sẽ thay đổi kênh tần số
theo một quy luật cho trước (gọi là mã giả ngẫu nhiên), tuy nhiên trong giao thức bàn
cờ thì chỉ có các BS hiệu chỉnh tần số của nó còn MH vẫn giữ nguyên cặp tần số hoạt
động của nó, (2) giao thức chuyển giao bàn cờ được kết hợp với kiến trúc mạng tập
trung ở CS nên có tránh được hiện tượng nhiễu giao thoa đồng kênh, tránh được việc
sử dụng 2 tần số chuyển mạch cùng nhau trong các picocell gần nhau. Do đó trong hệ
thống WLAN sử dụng giao thức bàn cờ người ta thường sử dụng khái niệm chuyển
đổi tần số (frequency swiching) thay cho khái niệm nhảy tần (frequency hopping).
c. Chuyển giao
Một đặc điểm quan trọng của giao thức bàn cờ này đó là quá trình chuyển giao
khi MH di chuyển từ BS này sang BS khác là rất đơn giản và nhanh. Thời gian
chuyển giao chỉ mất tối đa (2n+1) khe thời gian. Nhờ sự đơn giản và nhanh đó nên
giao thức được sử dụng trong mạng WLAN, để giảm bớt sự phức tạp của các MH. Ta
sẽ tìm hiểu một ví dụ chuyển giao khi MH di chuyển từ BS này sang BS khác như
hình vẽ dưới. Trong hình 2.6 là ví dụ với n = 5.
Cơ chế chuyển giao xảy ra như sau: trước hết ở cell cũ các MH nhận tín hiệu cho
phép ở khung thời gian có tô màu đen và trả lời lại bằng tại các khe thời gian có
đường gạch chéo (đã được mô tả trong giao thức bàn cờ). Lúc này MH sẽ sử dụng
cặp tần số (f
i
, f
n+i
) cho 2 chiều up và down. Giả sử MH di chuyển từ picocell cũ sang
picocell mới thì nó vẫn sử dụng cặp tần số này cho truyền dữ liệu. Tất nhiên là khi
qua cell khác, do tính trực giao (được điều khiển bởi CS) nên nó sẽ hoạt động ở khe
35
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
thời gian khác do vẫn không thay đổi cặp tần số (đặc điểm của giao thức chuyển giao
bàn cờ ). Khi nó đến vùng biên giới của cả 2 picocell thì nó đồng thời nhận được cả 2
khe thời gian của cả 2 picocell. Khi đó nó cũng sẽ tiếp tục liên lạc với picocell cũ cho
đến khi thiết lập kênh mới với picocell mới được thành lập. Khi liên lạc với picocell
cũ thật sự bị mất do đi quá tầm phủ sóng thì nó mới bắt đầu yêu cầu picocell mới cấp
cho nó một kênh để hoạt động, công việc này đã được MH chuẩn bị từ khi nhận được
tín hiệu của picocell mới (xem hình). Việc cấp băng thông cho MH sẽ được thực hiện
ở khung tiếp theo. Nhìn vào hình vẽ 2.6, ta thấy thời gian chuyển giao tối thiểu là 2n
+1 khe thời gian.
Hình 2.6 Độ trễ chuyển giao trong giao thức chuyển giao bàn cờ.
Gia nhập vào mạng WLAN: Khi một MH mới bắt đầu gia nhập vào mạng WLAN
thì công việc đầu tiên của nó là đồng bộ với CS, sau đó nó chọn một kênh bất kỳ
ngẫu nhiên nếu nó có khả năng thay đổi kênh tần số hoặc là sử dụng một kênh định
trước nếu nó không có khả năng thay đổi kênh. Sau đó nó lắng nghe ở những khe thời
gian tuyến downlink. Nó sẽ nhận được một tín hiệu trong khe thời gian nào đó của
khung và ấn định khe thời gian cho MH hoạt động. Sau khi nhận được gói tin ấn định
khe thời gian, nó sẽ bắt đầu gởi tín hiệu xác nhận ngay ở khe tiếp theo trong tuyến
36
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
uplink để gia nhập vào mạng. Sau đó nó bắt đầu truyền nhận dữ liệu trên kênh đã
được ấn định như đã được mô tả trong phần giao thức.
2.3.4 Các thông số của giao thức
Trong giao thức chuyển giao bàn cờ thì có 2 thông số chính được người ta quan
tâm nhất đó chính là (1) số lượng kênh và (2) độ rộng khe thời gian. Một thông số ít
quan trọng hơn đó là thời gian trễ chuyển giao đôi khi cũng được người ta nhắc đến.
• Số lượng kênh:
Ta gọi băng thông tổng cộng của hệ thống là BW
total
, băng thông bảo vệ BW
g
giả
sử bằng không, băng thông cho mỗi kênh up và down là bằng nhau và bằng BW
ch
.
Như vậy tổng băng thông của 2n kênh sẽ bé hơn hoặc bằng băng thông tổng cộng của
hệ thống: 2×n×BW
ch
≤ BW
total
. Hơn nữa băng thông của mỗi kênh lại được chia chi sẽ
cho n user trong hệ thống do đặc điểm của giao thức chuyển giao bàn cờ. Do đó ta có
công thức: 2×n
2
×BW
user
≤ BW
total
. Vậy ta có công thức:
≤
user
ch
BW
BW
n
2
(2.3.1)
Với [x] là ký hiệu phần nguyên của x (số nguyên lớn nhất bé hơn hoặc bằng x).
Nếu có tính thêm khoảng bảo vệ và công thức cho truyền dữ liệu bất đối xứng thì
công thức được viết lại như sau:
++
≤
gdownup
ch
BWBWBW
BW
n
.2
(2.3.2)
• Độ rộng khe thời gian:
Công thức tính độ rộng tối thiểu mỗi khe thời gian được cho như sau:
)3:(
2
.) 2(
≥
−
+
≥ ndk
n
BTntt
L
userprocprop
s
(2.3.3)
Trong đó L
s
là chiều dài khe thời gian tính bằng bit, t
prop
là thời gian trễ lan truyền
ở cả phần quang lẫn phần không gian tính bằng s, t
proc
là thời gian xử lý thông tin tại
CS tính bằng s, BT
user
là băng thông dành cho user tính bằng bit/s.
37
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
Công thức trên được xây dựng như sau: giả sử MH bắt đầu gởi cho CS một gói
thông tin, tại thời điểm t=0, thì CS sẽ nhận được gói đó vào thời điểm t = t
prop
, sau
đó CS sẽ ngưng truyền trong n-1 khe thời gian sau đó truyền cho MH vào đúng khe
thời gian quy định. Thời gian đó, CS sẽ xử lý và truyền gói đó đến lại MH, tức là thời
gian mà MH nhận được đầy đủ gói thông tin từ CS kể từ khi có yêu cầu sẽ là 2.t
prop
+
t
proc
+t
s
, và khoảng thời gian này phải nhỏ hơn hoặc bằng khoảng (n-1)t
s
mà MH phải
chờ đợi. Vì vậy ta có công thức trên.
• Thời gian trễ chuyển giao: thời gian trễ chuyển giao nhỏ nhất phải thỏa mãn
điều kiện.
−
+
−≤≤
−
+
+
2
2
).13()min(
2
2
).12(
n
tt
nt
n
tt
n
procprop
handover
procprop
(2.3.4)
2.3.5 Tổng kết
Ứng dụng kỹ thuật RoF và mạng WLAN hoạt động ở băng tần mm là một trong
những ứng dụng đơn giản của kỹ thuật trên vào mạng truy nhập vô tuyến. Với cự ly
nhỏ, bán kính phủ sóng các picocell không cần quá lớn, giá thành BS không phải là
quá đăt nên các nhược điểm của sóng mm trở nên không đáng kể nữa, trong khi đó
các ưu điểm của kỹ thuật như kiến trúc tập trung, băng thông rộng, tính di động cao
lại được phát huy.
So với mạng WLAN thông thường thì mạng WLAN hoạt động ở băng tần mm có
nhiều điểm khác nhau. Từ đặc điểm tổn hao lớn của sóng mm, số lượng BS cần được
lắp đặt sẽ nhiều hơn để phủ sóng môi trường indoor. Trong nhiều mạng tương tự với
số lượng các micro cell đủ lớn thì vấn đề quản lý di động là thật sự quan trọng. Với
giao thức MAC, gọi là giao thức chuyển giao bàn cờ, với đặc tính là nhanh với
chuyển giao đơn giản và tích hợp QoS, nó đã được đề xuất là giao thức trong mạng
WLAN hoạt động ở băng tần mm này
2.4 Kỹ thuật RoF trong mạng truyền thông Road Vehicle
38
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
2.4.1 Giới thiệu
Mạng truyền thông Road Vehicle (Road Vehicle Communication RVC) là cơ sở
hạ tầng của mạng ITS (intelligent transportation system), được ứng dụng cho các
phương tiện đang di chuyển có thể truy cập vào mạng, từ đó các phương tiện trở
thành những thành phần của mạng thông tin, chúng có thể liên lạc với nhau được sử
dụng trong việc điều khiển các phương tiện một cách tự động bởi trung tâm. Những
yêu cầu của hệ thống RVC này là phải đạt được tốc độ ít nhất 2-10Mbs cho mỗi MH
nếu cần. Hơn nữa, mạng phải không chỉ hỗ trợ thoại và dữ liệu mà còn phải hỗ trợ
các dịch vụ đa phương tiện như video thời gian thực khi các MH đang di chuyển. Từ
nhưng mạng thông tin di động cellular hiện tại và phát triển lên băng tần micromet
nhưng vẫn không thể nào cung cấp đủ băng thông, do đó các băng tần mm trong
khoảng từ 36GHz đến 60GHz đang được xem xét, cải tiến để ứng dụng cho mạng
RVC này. Tuy dải băng tần này có băng thông cao hơn so với băng tần micromet,
nhưng bán kính phủ sóng của các cell nhỏ hơn do suy hao trong không gian. Do đó
đặc tính của mạng RVC đó là số lượng BS lớn để phủ sóng hoàn toàn mọi nơi và số
lượng người sử dụng lớn, hỗ trợ tính di động. Như vậy kiến trúc mạng cần các yêu
cầu chính sau: (1) mạng phải có giá thành tốt và (2) tích hợp khả năng chuyển giao
nhanh và đơn giản để phục vụ một số lượng các user.
Tuy nhiên, trong RVC thì một thủ tục chuyển giao nhanh thực hiện khó hơn rất
nhiều so với môi trường indoor, nhất là ở tốc độ dữ liệu cao lẫn tốc độ di chuyển. Để
thực hiện được khả năng này, hệ thống phải có cơ chế quản lý chuyển giao để thực
hiện việc chuyển giao liên tục và chính xác. Ta có thể lấy một ví dụ là một chiếc xe
đang di chuyển với vận tốc 100km/h, thì với bán kính cell là khoảng 100m thì sự
chuyển giao thực hiện mỗi 3.6s mỗi lần. Nếu vùng chồng lấn giữa 2 cell là 10m thì
yêu cầu chuyển giao phải được thực hiện trong 0.36s. Trong ví dụ này ta đã thấy
được trong mạng RVC cần một thủ tục chuyển giao nhanh và đơn giản để đáp ứng
yêu cầu di chuyển nhanh của các MH. Đồng thời, trong kiến trúc mạng thì phải tính
toán đến vùng chồng lấn của 2 cell đủ lớn sao cho chúng có thời gian chuyển giao và
cũng không được quá nhỏ khiến cho số lượng BS tăng lên, không có lợi trong việc
39
Chương 2: Kết hợp kĩ thuật Radio over Fiber và mạng truy nhập không dây
quản lý cũng như giá thành mạng tăng. Trong chương này ta sẽ được tìm hiểu thủ tục
MAC để thực hiện chuyển giao trong mạng RVC được ứng dụng kỹ thuật RoF với
đặc tính là chuyển giao nhanh và đặc biệt là khả năng cấp băng thông động. Nó được
thực hiện dựa trên khả năng điều khiển tập trung của mạng RoF để quản lý tính di
động một cách hiệu quả.
2.4.2 Kiến trúc mạng
Hệ thống RVC sử dụng kỹ thuật RoF được thể hiện trong hình 2-7, ở đây mỗi BS
được kết nối liên tục đến một số lượng BS thông qua sợi quang, và mỗi BS ở đây là
loại phục vụ cho mạng RVC với tầm phủ sóng rộng và các đặc tính phù hợp mạng. Ở
chương này ta chỉ khảo sát các con đường một chiều, với hướng di chuyển của MH
đã được CS biết trước. Đối với các đường nhiều chiều, ứng dụng có thể triển khai
trong thành phố. Các CS được kết nối đến mạng đường trục, mạng đường trục có thể
là mạng PSTN hay là mạng Internet. Mỗi BS sẽ phủ sóng một khu vực mà ta gọi là
cell (không gọi là picocell như trong mạng WLAN nữa). Do đặc tính của sóng mm ở
băng tần 36GHz cho đến 60GHz có suy hao lớn nên bán kính của mỗi mỗi cell chỉ
nằm trong khoảng từ vài chục đến vài trăm mét và số lượng BS để phủ sóng nguyên
con đường là khá lớn. Để đạt được kiến trúc tập trung và cấu trúc BS đơn giản với
tầm phủ sóng CS lớn thì nhiều kỹ thuật RoF được thảo luận trong chương 2 sẽ được
ứng dụng vào mạng và hiện nay ngày càng được cải tiến. Tuy nhiên trong chương
này, ta chỉ thảo luận về kiến trúc mạng, còn các kỹ thuật đó được áp dụng như thế
nào trong mạng đã được thảo luận ở chương 1. Kiến trúc mạng RVC sử dụng kỹ
thuật RoF được thể hiện trong hình 2.7
40
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét