Kiến trúc hợp nhất EPON và WiMAX – một giải pháp cho mạng truy nhập băng rộng

Kiến trúc hợp nhất EPON và WiMAX – một giải pháp cho mạng truy nhập băng rộng Nguồn: khonggianit.vn 1. Giới thiệu Các kỹ thuật truy nhập quang có ưu điểm về băng tần lớn, tuy nhiên, nó đòi hỏi chi phí cao để có thể triển khai tới từng nhà. Ngược lại, kỹ thuật truy nhập vô tuyến lại có chi phí triển khai thấp. Một ưu điểm quan trọng của các kỹ thuật vô tuyến là hỗ trợ di động. Tuy nhiên, các kỹ thuật vô tuyến nói chung bị giới hạn về phổ tần vô tuyến vì phải chia sẻ giữa các người dùng. Ngoài ra, các hệ thống vô tuyến thường sử dụng sợi quang để kết nối giữa các trạm truy nhập đặt phân tán với trạm trung tâm. Sự kết hợp giữa mạng quang thụ động EPON và WiMAX là một giải pháp hấp dẫn cho mạng truy nhập băng rộng. Sự kết hợp này cho phép hai kỹ thuật có thể bổ sung cho nhau trên nhiều phương diện. 2. Sự hợp nhất của EPON và WiMAX Gần đây, bốn kiến trúc có khả năng hỗ trợ sự hợp nhất giữa EPON và WiMAX đã được đề xuất bởi một nhóm nghiên cứu thuộc trường đại học Melbourne [3]. Nội dung phần này sẽ trình bầy tổng quan về bốn kiến trúc này. 2.1 Kiến trúc độc lập Sự hợp nhất của EPON và WiMAX sử dụng kiến trúc độc lập được minh họa trong Hình 1. Trong đó, hệ thống EPON và WiMAX hoạt động một cách độc lập bằng việc coi mỗi trạm gốc WiMAX (WiMAX-BS) như một người dùng gắn chung với một khối mạng quang (ONU). Khi hai thiết bị cùng hỗ trợ một giao diện tiêu chuẩn chung (ví dụ Ethernet), chúng có thể kết nối với nhau. Hình 1. Kiến trúc hợp nhất EPON và WiMAX Lợi ích trực tiếp của kiến trúc độc lập là ONU và BS có thể kết nối mà không cần một yêu cầu đặc biệt nào. Tuy nhiên, do hệ thống EPON và WiMAX hoạt động độc lập, ONU không thể biết cụ thể WiMAX lập lịch các gói cho các trạm thuê bao (SS) như thế nào. Trong khi đó, BS cũng không thể biết ONU lập lịch và gửi số liệu đường lên tới đầu cuối đường truyền quang (OLT) của EPON như thế nào. Do đó, kiến trúc này không tận dụng được hết các ưu điểm của sự hợp nhất, đặc biệt là việc phân bổ băng thông tối ưu trong toàn hệ thống. Hơn nữa, vì cần hai thiết bị độc lập, một ONU và một WiMAX-BS, tại biên của hai hệ thống nên chi phí sẽ lớn hơn phương thức hộp tích hợp sẽ được trình bầy sau đây. 2.2 Kiến trúc lai ghép Kiến trúc lai ghép là sự hợp nhất ở mức cao hơn, trong đó, một ONU và một WiMAX-BS được tích hợp trong một hộp hệ thống (ONU-BS) như minh họa trong phần dưới của Hình 1. Sự sắp xếp này cho phép hợp nhất hoàn toàn hai phần tử này cả về phần cứng và phần mềm. Hình 2 minh họa các module chức năng chính bên trong ONU-BS. Về phần cứng, có thể có 3 CPU, để tích hợp tốt hơn, 3 CPU này có thể tích hợp tiếp thành 1 CPU. CPU-1 chịu trách nhiệm trao đổi số liệu trong khu vực EPON và chạy các giao thức EPON. CPU-3 chịu trách nhiệm trao đổi số liệu trong khu vực WiMAX và chạy các giao thức WiMAX. Giữa 2 CPU này là một CPU trung tâm chịu trách nhiệm phối hợp hoạt động giữa 2 CPU kia. CPU-1 và CPU-3 ghi nhận trạng thái và phân bổ băng thông trong khu vực của chúng rồi gửi yêu cầu chi tiết đến CPU-2, sau đó CPU-2 đưa ra quyết định để hướng dẫn 2 CPU kia yêu cầu băng thông từ đường lên và phân bổ băng thông cho mỗi trạm thuê bao ở đường xuống. Các module chức năng tương ứng với 3 CPU trong Hình 2a được chỉ rõ trong Hình 2b, trong đó chủ yếu là các module cho thông tin đường lên. Cụ thể, CPU-1, liên quan đến khu vực EPON, chứa các thành phần chức năng lập lịch gói EPON, các hàng đợi ưu tiên và phân loại gói EPON. CPU-3, liên quan đến khu vực WiMAX, gồm các chức năng tái tạo gói WiMAX và bộ lập lịch đường lên WiMAX. CPU-2 tương ứng với bộ điều khiển trung tâm ONU-BS được minh họa trong Hình 2b. Một trong những ưu điểm chính của kiến trúc lai ghép là có thể giảm chi phí thiết bị vì chỉ cần một hộp thiết bị. Hơn nữa, vì ONU-BS tích hợp sở hữu thông tin đầy đủ về yêu cầu, phân bổ băng thông và lập lịch gói của cả ONU và WiMAX-BS, các cơ chế tối ưu có thể sử dụng cho yêu cầu băng thông cho đường lên của mạng EPON, phân bổ băng thông và lập lịch gói cho đường xuống của mạng WiMAX. Do đó, so với kiến trúc độc lập, kiến trúc lai ghép hứa hẹn sẽ cải thiện hiệu năng chung của hệ thống về thông lượng và dịch vụ QoS. Hình 2. Kiến trúc và các module chức năng của ONU-BS: a) sơ đồ phần cứng; b) các module chức năng 2.3 Kiến trúc hướng kết nối thống nhất WiMAX là một kỹ thuật truyền dẫn hướng kết nối (connection-oriented) trong đó mỗi luồng dịch vụ được phân bổ một địa chỉ kết nối (CID) duy nhất, đồng thời việc hỗ trợ yêu cầu băng thông và QoS là hướng kết nối. Dựa trên các yêu cầu băng thông hướng kết nối, băng thông tổng được phân bổ cho mỗi SS và băng thông này sau đó sẽ được phân bổ cho mỗi kết nối dịch vụ liên quan đến SS. Ngược lại, công nghệ EPON không hỗ trợ kiểu này, thay vào đó các yêu cầu băng thông là hướng xếp hàng (queue-oriented). Băng thông tổng được phân bổ cho mỗi ONU và sau đó băng thông cho mỗi ONU này sẽ phân bổ cục bộ cho 8 hàng đợi ưu tiên khác nhau trong ONU [1]. Mặc dù nguyên lý hoạt động chung của hai kiểu mạng là hoàn toàn tương tự, hệ thống WiMAX nói chung phân bổ băng thông tốt hơn hệ thống EPON. Hơn nữa, phân bổ băng thông hướng kết nối có sự đảm bảo hơn về QoS, có nghĩa là công nghệ WiMAX có khả năng hỗ trợ QoS tốt hơn công nghệ EPON. Ngược lại, công nghệ EPON tỏ ra tốt hơn về phạm vi hoạt động vì mỗi ONU phải quản lý tới 8 hàng đợi ưu tiên. Do EPON và WiMAX sử dụng hai giao thức vận hành khác nhau nên cần phải có sự sửa đổi giao thức lớp điều khiển truy nhập môi trường (MAC) của EPON để nó có thể hỗ trợ các dịch vụ hướng kết nối trong các hệ thống WiMAX. Kiến trúc hợp nhất mới có sơ đồ tương tự kiến trúc lai ghép. Điểm khác nhau duy nhất đó là thay vì mang trực tiếp các khung Ethernet trong các khung/burst đường lên và đường xuống của EPON, các WiMAX MAC PDU được dùng thay thế cho các khung Ethernet còn các khung Ethernet thì được đóng khung như số liệu client trong các WiMAX MAC PDU. Cơ chế này được minh họa trong Hình 3. Hình 3. Áp dụng lớp WiMAX-MAC vào EPON: a) đường xuống; b) đường lên Trường địa chỉ logic tuyến (LLID) được giữ lại cho phần mào đầu và đánh địa chỉ cho các tuyến MAC. Tuy nhiên, sau LLID các khung trở thành các WiMAX MAC PDU và mỗi PDU đóng khung cho các khung Ethernet. Do đó, có thể thấy ngăn xếp giao thức của kiến trúc mới bao gồm một lớp con hội tụ mới ở dưới lớp khung Ethernet. Lớp con mới có chức năng để điều khiển và phân bổ băng thông trong mạng quang thụ động. Hoạt động chung sẽ tương tự như trong các mạng WiMAX. Kết quả là toàn bộ hệ thống hợp nhất có thể được điều khiển bởi một bộ giao thức hướng kết nối thống nhất được mở rộng từ công nghệ WiMAX. Theo quan điểm vận hành mạng, đây là một kiểu hội tụ di động cố định cho điều khiển và quản lý mạng: một hệ thống điều khiển mạng và một bộ giao thức sẽ điều khiển và quản lý cả mạng di động và cố định. Hình 4 minh họa một ví dụ về yêu cầu và phân bổ băng thông qua một mạng WiMAX và PON hợp nhất. Các SS gửi các yêu cầu (ví dụ, Request CID#x1 và Request CID#x2) tới một ONU-BS, ONU-BS nhận, phân loại những yêu cầu này và gửi thông tin tóm tắt như một yêu cầu (ví dụ, Request CID#y1) tới OLT. Sự phân loại và tổng hợp các yêu cầu khác nhau từ các SS phụ thuộc vào QoS riêng của chúng. Nói chung, các yêu cầu có cùng QoS được tập hợp cùng nhau tại ONU-BS. Đáp lại yêu cầu từ ONU-BS, OLT cấp phát băng thông tổng cho ONU- BS (ví dụ, Grant for ONU-BS1) và sau đó phân bổ chi tiết cho mỗi SS (ví dụ, Grant for SS1). Quá trình hoạt động bao gồm hai cấp. OLT không thể thấy thông tin yêu cầu chi tiết từ mỗi SS; thông tin được tổng hợp bởi ONU-BS trước khi chuyển tiếp đến OLT. CID trong hai phân cấp là độc lập và cùng một CID có thể xuất hiện ở hai phân cấp khác nhau mà không làm ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ hệ thống. Một giải pháp khác có thể thực hiện được là thích ứng mạng WiMAX để chạy các giao thức EPON MAC. Theo cách đó, tất cả các thiết bị WiMAX sẽ được vận hành dưới kỹ thuật Ethernet với các giao diện Ethernet thống nhất. Hạn chế của giải pháp này là có ít điều khiển QoS cho mỗi kết nối dịch vụ. Hơn nữa, cần có các mở rộng đặc biệt để xử lý quá trình mã hóa và điều chế tín hiệu vô tuyến vì các kênh vô tuyến không ổn định như môi trường sợi quang. Tóm lại, với cả hai kiến trúc tích hợp ở trên, hạn chế chung là chúng không được tiêu chuẩn hóa. Hình 4. Yêu cầu và phân bổ băng thông 2.4 Kiến trúc truyền sóng vô tuyến qua sợi quang Để có thể giảm hơn nữa chi phí cho vùng biên của các hệ thống EPON và WiMAX cũng như tận dụng triệt để hơn dung lượng của sợi quang, một kiến trúc khác được công bố như minh họa trong Hình 5. Mỗi trạm đầu xa được tạo bởi một ONU, chịu trách nhiệm trao đổi số liệu của EPON, và một anten chịu trách nhiệm chuyển tiếp tín hiệu vô tuyến WiMAX từ và tới microcell của nó. Tín hiệu EPON thuộc băng tần cơ sở và chiếm tần số tới 1.25 GHz. Tín hiệu WiMAX được điều chế trên tần số sóng mang vô tuyến. Hai tín hiệu này sau đó được ghép và điều chế trên một tần số quang chung (bước sóng) và phát tới trạm trung tâm đường lên. Việc điều chế tần số sóng mang WiMAX (ví dụ, 2.5 GHz) trên một tần số quang được gọi là truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (Microwave-over- fiber, MOF). Trong kiến trúc này có 2 loại sóng mang phụ. Một loại là sóng mang phụ vô tuyến trong hệ thống WiMAX, với phổ tần vài MHz (ví dụ, 10 MHz) được chia thành nhiều sóng mang phụ (ví dụ, 1024 sóng mang phụ) với khoảng cách tần số sóng mang phụ điển hình 10.94 KHz [2]. Loại sóng mang phụ thứ hai là sóng mang phụ quang trong PON mang tín hiệu từ antenna đến trạm trung tâm. Chúng ta gọi loại thứ nhất là sóng mang phụ WiMAX, và loại thứ hai là sóng mang phụ quang. Một sóng mang phụ WiMAX, do đó, sẽ là một sóng mang phụ trong một sóng mang phụ quang. Tại trạm trung tâm, để phân biệt các tín hiệu vô tuyến từ các anten, tần số sóng mang phụ quang từ các anten khác nhau phải khác nhau. Do đó, cần phải sử dụng bộ dịch (chuyển đổi) tần số vô tuyến (RF) (như minh họa trong Hình 5) sau mỗi anten để chuyển đổi, ví dụ, tần số điều chế WiMAX 2.5 GHz lên tần số cao hơn, 7 GHz, trước khi điều chế trên tần số quang. Nếu một hệ thống EPON có một tỷ số chia 1:16, cho phép triển khai tới 16 anten WiMAX, cần tổng số 16 sóng mang phụ quang trong phổ tần quang. Hình 5 minh họa một ví dụ phân bổ phổ tần quang trong đó băng tần cơ sở được sử dụng để mang tín hiệu EPON (1.25 Gb/s), 16 sóng mang phụ tần số cao hơn được sử dụng để ghép các tín hiệu WiMAX với khoảng cách tần số là 750 MHz. Tương ứng với các trạm đầu xa, trạm trung tâm, như minh họa trong Hình 5, gồm 2 module chính, một OLT và một WiMAX-BS. Chúng ta gọi WiMAX-BS trung tâm là một macro-BS, macro-BS bao gồm nhiều khối WiMAX-BS và một bộ điều khiển/phối hợp trung tâm. Macro-BS xử lý tất cả các khung hoặc các gói số liệu từ các microcell. Macro-BS cũng phối hợp phân bổ băng thông và lập lịch gói cho mỗi khối WiMAX-BS. Sau khi một tín hiệu quang đi vào trạm trung tâm và được chuyển đổi thành dạng điện, tín hiệu trước tiên được tách thành hai phần: tín hiệu EPON băng tần cơ sở và một nhóm các sóng mang phụ quang. Tín hiệu băng tần cơ sở được chuyển tới OLT để xử lý còn các tín hiệu sóng mang phụ quang được chuyển đến WiMAX macro-BS, ở đó các tín hiệu sóng mang phụ quang trước tiên được tách thành các tín hiệu độc lập và sau đó mỗi tín hiệu này được đưa qua bộ đổi tẩn số để dịch tần lên hoặc dịch tần xuống. Cuối cùng, tần số đã dịch được chuyển tới khối WiMAX-BS để xử lý các gói được mang bởi tần số đó. Một trong những ưu điểm quan trọng của kiến trúc macro-BS là hoạt động chuyển giao cho các người sử dụng di động được đơn giản hóa. Tuy nhiên, macro-BS có thể trở thành điểm tắc nghẽn tiềm ẩn của toàn mạng WiMAX khi nó cần phải xử lý tất cả các gói từ một số lượng lớn các SS. Trong các hệ thống vật lý thực sự, do các hiệu ứng phi tuyến, xuyên âm giữa các sóng mang phụ quang có thể sẽ là một vấn đề thách thức. Hơn nữa, nhiễu giao thoa quang (OBI) giữa các tín hiệu sóng mang phụ quang đường lên cũng là một vấn đề thách thức. Để giải quyết vấn đề này, cần có phân cách giữa các bước sóng cho mỗi ONU và dẫn tới sự ra đời của hệ thống PON thế hệ sau, hệ thống PON ghép kênh phân chia theo bước sóng (WDM-PON). Hình 5. Kiến trúc hợp nhất truyền sóng vô tuyến qua sợi quang (MOF) và phổ tần sóng mang phụ trong hệ thống hợp nhất MOF 3. Kết luận Việc sử dụng một mạng EPON để kết nối nhiều WiMAX-BS tạo ra sự kết hợp tốt về phân cấp băng thông. Trong bài báo này, bốn kiến trúc hợp nhất được được trình bầy. Sự hợp nhất này giúp hiện thực hóa sự hội tụ di động cố định và đem lại nhiều điểm hấp dẫn. Trước hết, sự hợp nhất cho phép thực hiện hiệu quả việc phân bổ băng thông và lập lịch gói, giúp đạt được hiệu suất sử dụng băng thông và hỗ trợ QoS tốt hơn. Ngoài ra, sự hợp nhất có thể đơn giản hóa vận hành mạng (ví dụ, hoạt động chuyển giao). Hơn nữa, sự hợp nhất có thể cho phép một mạng quang thụ động mang đồng thời hai kiểu mạng truy nhập khác nhau và cung cấp cả dịch vụ truy nhập băng rộng di động lẫn cố định. Cuối cùng, sự hợp nhất của EPON và WiMAX sẽ đem lại hy vọng tiết kiệm chi phí vận hành và thiết kế cho mạng truy nhập băng rộng thế hệ mới.