Phương pháp kiểm soát truy cập phân chia thời gian TDMA

Trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp có cấu trúc dạng bus, một trong những vấn đề kỹ thuật cốt lõi quyết định hiệu năng và độ tin cậy của toàn hệ thống chính là phương pháp kiểm soát truy nhập đường truyền, hay còn gọi là phương pháp truy nhập bus.

Vì tất cả các trạm trong mạng đều chia sẻ chung một đường dẫn vật lý duy nhất, nên tại mỗi thời điểm chỉ được phép có duy nhất một bức điện (telegram) được truyền đi trên đường dây, nếu không sẽ xảy ra xung đột tín hiệu và gây sai lệch thông tin.

Do đó, mạng phải được điều khiển theo một quy tắc xác định để đảm bảo quyền truy nhập được phân chia hợp lý giữa các thành viên. Bên cạnh các phương pháp tiền định khác như chủ/tớ (Master/Slave) và phương pháp ngẫu nhiên như CSMA/CD, phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA (Time Division Multiple Access) là một trong những kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi nhất nhờ tính xác định cao và khả năng đáp ứng yêu cầu thời gian thực nghiêm ngặt.

Bài viết này sẽ trình bày một cách hệ thống nguyên lý hoạt động, các biến thể triển khai, ưu nhược điểm cũng như những ứng dụng thực tế cụ thể của phương pháp TDMA trong các hệ thống mạng truyền thông công nghiệp và mạng không dây hiện đại.

Trong phương pháp kiểm soát truy nhập phân chia thời gian TDMA, mỗi trạm trong mạng được phân một khoảng thời gian truy nhập bus nhất định. Các trạm có thể lần lượt thay nhau gửi thông tin trong khoảng thời gian cho phép này, gọi là khe thời gian hay lát thời gian (time slot, time slice), theo một tuần tự đã được quy định sẵn từ trước.

Điểm then chốt cần lưu ý là việc phân chia khe thời gian này được thực hiện ngay từ giai đoạn thiết kế và cấu hình hệ thống, tức là trước khi hệ thống đi vào hoạt động thực tế. Chính vì tính chất tiền định (deterministic) này mà phương pháp TDMA được xếp vào nhóm các phương pháp truy nhập bus có khả năng tính toán trước thời gian đáp ứng tối đa cũng như chu kỳ bus của toàn hệ thống.

Về bản chất kỹ thuật, TDMA là một phương pháp đa truy nhập kênh truyền (channel access method) cho phép nhiều trạm cùng chia sẻ một kênh truyền vật lý duy nhất bằng cách phân chia thời gian truyền dẫn thành các khe khác nhau.

Các trạm sẽ truyền dữ liệu một cách lần lượt, mỗi trạm sử dụng đúng khe thời gian được cấp riêng cho mình. Quá trình chuyển đổi qua lại giữa các khe diễn ra với tốc độ rất nhanh, đến mức trên thực tế từng trạm có cảm giác như đang sở hữu toàn bộ kênh truyền tại thời điểm của mình, dù bản chất kênh đó vẫn đang được chia sẻ tuần hoàn cho nhiều thiết bị khác.

Một điểm khác biệt quan trọng cần phân biệt là sự khác nhau giữa TDMA (Time Division Multiple Access) và TDM (Time Division Multiplexing). Trong kỹ thuật TDM thuần túy, một khe thời gian cụ thể luôn được dành riêng cho một người dùng hoặc một luồng tín hiệu cố định, ngay cả khi người dùng đó không có nhu cầu sử dụng tại thời điểm đó, và các tín hiệu được ghép kênh thường xuất phát từ cùng một nút mạng trung tâm.

Trong khi đó, TDMA mang tính chất phân tán hơn vì cho phép nhiều bộ phát (transmitter) độc lập khác nhau cùng chia sẻ một kênh truyền chung thông qua việc phân chia thời gian, thay vì chỉ có một bộ phát kết nối với một bộ thu duy nhất như trong TDM cổ điển.

Một đặc điểm quan trọng giúp phân biệt TDMA với phương pháp chủ/tớ truyền thống là vai trò của trạm điều khiển trung tâm.

Trong các hệ thống truy nhập bus theo phương pháp chủ/tớ thuần túy, một trạm chủ (master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho toàn bộ các trạm tớ (slave), các trạm tớ đóng vai trò hoàn toàn bị động và chỉ được phép gửi tín hiệu khi có yêu cầu rõ ràng từ trạm chủ, thường thông qua kỹ thuật hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ.

Khác với cơ chế đó, trong phương pháp TDMA, hệ thống có thể hoạt động theo hai dạng cấu hình: có hoặc không có một trạm chủ.

Trong trường hợp hệ thống có sử dụng một trạm chủ, vai trò của trạm chủ này chỉ bị hạn chế ở mức độ giám sát và kiểm soát việc tuân thủ, nhằm đảm bảo các trạm khác giữ đúng lát thời gian đã được quy định, không có chức năng cấp phát quyền truy nhập theo thời gian thực như trong phương pháp chủ/tớ.

Điểm đặc biệt là mỗi trạm trong mạng TDMA đều có đầy đủ khả năng đảm nhiệm vai trò chủ động trong việc giao tiếp trực tiếp với các trạm khác, không cần phải thông qua một trạm trung gian điều phối liên tục. Nhờ đặc tính phân tán quyền điều khiển này mà TDMA có thể hoạt động ổn định ngay cả khi trạm giám sát (nếu có) gặp sự cố, miễn là cơ chế đồng bộ thời gian giữa các trạm vẫn được duy trì.

Về nguyên tắc tổ chức, phương pháp TDMA có thể được thực hiện theo nhiều cách khác nhau, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống và đặc tính của các hoạt động truyền thông. Các phương thức phân chia thứ tự truy nhập phổ biến bao gồm:

Phân chia theo vị trí sắp xếp vật lý của các trạm trong mạng, tức là thứ tự truyền dữ liệu được xác định dựa trên vị trí lắp đặt thực tế của thiết bị trên đường bus.

Phân chia theo thứ tự địa chỉ logic được gán cho từng trạm, không phụ thuộc vào vị trí vật lý mà phụ thuộc vào mã địa chỉ đã được cấu hình trong hệ thống.

Phân chia theo tính chất và mức độ ưu tiên của các hoạt động truyền thông, ví dụ các bức điện mang dữ liệu điều khiển thời gian thực được ưu tiên khe thời gian sớm hơn so với các bức điện chẩn đoán hoặc cấu hình.

Ngoài ra, trong thực tế triển khai, người ta cũng có thể kết hợp TDMA với phương pháp chủ/tớ theo một cách lai ghép đặc biệt: hệ thống vẫn duy trì cấu trúc chủ/tớ về mặt logic, nhưng đồng thời cho phép các trạm tớ giao tiếp trực tiếp với nhau trong những khe thời gian được cấp riêng, không cần phải thông qua trạm chủ làm trung gian chuyển tiếp dữ liệu.Đây là một giải pháp dung hòa nhằm tận dụng cả ưu điểm quản lý tập trung của chủ/tớ và ưu điểm tốc độ trao đổi ngang hàng của TDMA.

Một số hệ thống công nghiệp khác lại sử dụng cơ chế bức điện tổng hợp (composite telegram), có cấu trúc khung dữ liệu được thiết kế giống như một sơ đồ phân chia thời gian thống nhất cho toàn mạng.

Với cấu trúc này, mỗi trạm trong mạng có thể đọc dữ liệu từ phần khung tương ứng dành cho các trạm khác, đồng thời ghi dữ liệu của riêng mình vào đúng phần khung đã được cấp phát cho nó trong bức điện tổng hợp đó. Cơ chế này giúp giảm đáng kể số lượng bức điện riêng lẻ cần truyền, đồng thời tối ưu hóa băng thông sử dụng trên đường truyền chung.

Dựa trên cách thức cấp phát khe thời gian cho các trạm, phương pháp TDMA trong các hệ thống mạng hiện đại, đặc biệt là mạng cảm biến không dây công nghiệp, thường được phân thành hai loại chính.

Loại thứ nhất là TDMA tĩnh (Static TDMA), trong đó khung thời gian được chia thành các khe thời gian cố định và mỗi khe được gán cố định cho một nút mạng cụ thể ngay từ giai đoạn cấu hình ban đầu.

Mỗi nút sẽ gửi dữ liệu một cách lần lượt, tuần tự, theo đúng khe thời gian tương ứng đã được gán cho nó, và cấu trúc này không thay đổi trong suốt quá trình vận hành trừ khi có sự can thiệp cấu hình lại từ bên ngoài. TDMA tĩnh phù hợp với các ứng dụng có lưu lượng dữ liệu ổn định, dễ dự đoán theo thời gian, ví dụ như các vòng điều khiển tự động có chu kỳ lấy mẫu cố định.

Loại thứ hai là TDMA động (Dynamic TDMA), còn được gọi là TDMA dựa trên cơ chế đặt trước (Reservation-Based TDMA). Trong cấu hình này, số lượng khe thời gian được cấp cho từng nút không cố định mà thay đổi linh hoạt theo thuật toán lập lịch (scheduling algorithm), dựa trên nhu cầu lưu lượng thực tế của từng luồng dữ liệu.

Các khe thời gian sẽ được dành nhiều hơn cho những nút có lưu lượng cao, có nhiều dữ liệu đang chờ trong bộ đệm (buffered packets), và các khe này sẽ được giải phóng trở lại cho các nút khác ngay khi quá trình truyền và nhận dữ liệu hoàn tất. Mô hình TDMA động giúp sử dụng băng thông hiệu quả hơn trong các hệ thống có lưu lượng dữ liệu biến động mạnh theo thời gian, nhưng đòi hỏi cơ chế lập lịch phức tạp hơn và yêu cầu trao đổi thông tin điều khiển bổ sung giữa các nút.

Bảng so sánh dưới đây tổng hợp các đặc điểm chính giúp phân biệt rõ hai biến thể triển khai của phương pháp TDMA:

Trong một số hệ thống mạng yêu cầu vừa có tính xác định cao vừa có khả năng xử lý sự kiện linh hoạt, người ta phát triển một biến thể nâng cao gọi là TDMA linh hoạt, viết tắt là FTDMA (Flexible Time Division Multiple Access).

Cơ chế này chia nhỏ khe thời gian dành cho dữ liệu sự kiện thành các đơn vị nhỏ hơn gọi là khe nhỏ hay vi khe (mini-slot, MS). Một khe động (dynamic slot) có thể có độ dài bằng một hoặc nhiều vi khe ghép lại tùy thuộc vào độ dài thực tế của bức điện cần truyền.

Quá trình truyền dữ liệu trong khe động sẽ kết thúc khi một trong hai điều kiện sau xảy ra: bộ đếm vi khe nội bộ đạt tới thời điểm truyền muộn nhất được phép, hoặc bộ đếm khe vượt quá số lượng khe truyền tối đa đã được cấu hình trước.

Cơ chế vi khe này cho phép tận dụng băng thông một cách hiệu quả hơn nhiều so với việc cấp một khe cố định có độ dài tối đa cho mọi loại bức điện bất kể kích thước thực tế của nó, vì các trạm không có dữ liệu để gửi sẽ chỉ tiêu tốn thời gian của một vi khe rất ngắn trước khi quyền truy nhập được chuyển tiếp sang trạm kế tiếp trong danh sách ưu tiên.