Thiết kế mô hình mạng thông tin vệ tinh cho mạng chuyên dụng

Các thông tin về điều khiển, báo hiệu sẽ được đưa về Hub để xử lý, còn dữ liệu người sử dụng sẽ được truyền trực tiếp giữa các trạm VSAT thông qua vệ tinh.. Dữ liệu truyền trong mạng lúc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TẬP ĐOÀN BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG VIỆT NAM HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THIẾT KẾ MÔ HÌNH MẠNG THÔNG TIN VỆ TINH

CHƯƠNG 1 LỰA CHỌN MÔ HÌNH TỔ CHỨC VÀ CÔNG NGHỆ TRUY NHẬP

MẠNG THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 Các mô hình tổ chức mạng TTVT

1.1.1 Mô hình thông tin hình sao

Mô hình này gồm trạm trung tâm Hub và các trạm VSAT Mọi thông tin trong mạng gồm thông tin điều khiển và dữ liệu người dùng đều được đưa về Hub

xử lý rồi đưa đến trạm VSAT cần liên lạc Trạm Hub sẽ phát quảng bá dữ liệu đến tất cả các trạm VSAT Các trạm VSAT sẽ thu tin hiệu này từ Hub và lọc lấy dữ liệu dành cho chúng Quá trình liên lạc phải qua 2 bước nhảy vệ tinh nên có độ trễ cao

Hình 1.1: Mô hình thông tin hình sao

1.1.2 Mô hình thông tin hình lưới

Trong mô hình này, các trạm VSAT có thể liên lạc trực tiếp với nhau Trạm Hub chỉ đóng vai trò quản lý mạng, cấp băng thông, giám sát, ngắt kết nối đường truyền Các thông tin về điều khiển, báo hiệu sẽ được đưa về Hub để xử lý, còn

dữ liệu người sử dụng sẽ được truyền trực tiếp giữa các trạm VSAT thông qua vệ tinh Dữ liệu truyền trong mạng lúc này chỉ cần qua 1 bước nhảy vệ tinh nên có độ trễ thấp, tuy nhiên anten và công suất phát của trạm VSAT sẽ phải lớn hơn so với các trạm trong mạng hình sao

Hình 1.2: Mô hình thông tin hình lưới

1.1.3 Mô hình thông tin sao lưới hỗn hợp

Mô hình này là sự kết hợp của hai kiểu tổ chức thông tin trên Mạng sẽ gồm phần mạng hình sao và mạng hình lưới Đối với các trạm nằm trong phần mạng hình lưới phải có khả năng giải điều chế tín hiệu từ Hub phát lên và tín hiệu trực tiếp giữa các trạm VSAT cùng nằm trong phần mạng hình lưới Với mô hình thông tin này, các trạm có lưu lượng thấp sẽ được tổ chức theo kiểu sao, các trạm

có lưu lượng thông tin lớn sẽ được tổ chức theo kiểu lưới Điều này sẽ giúp giảm lưu lượng cần xử lý ở Hub, giảm giá thành mạng

Hình 1.3: Mô hình tổ chức sao lưới hỗn hợp

1.2 Các kỹ thuật đa truy nhập

1.2.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA

FDMA thực hiện chia băng thông vệ tinh thành các băng tần nhỏ và mỗi trạm sẽ được cấp một băng tần để liên lạc Bộ phát đáp của vệ tinh thực hiện thu tất cả các sóng mang nằm trong phần băng thông của nó, khuếch đại và phát trở lại mặt đất Các trạm đầu cuối sẽ sử dụng bộ lọc để lấy ra tín hiệu thuộc băng tần được cấp phát của nó Vấn đề chủ yếu trong các hệ thống thông tin vệ tinh FDMA

là sự xuất hiện của nhiễu xuyên điều chế được tạo ra bởi sự khuếch đại đa sóng mang trong một TWTA chung cho một bộ phát đáp Để giảm nhiễu xuyên điều chế, hệ thống FDMA thường sử dụng khoảng lùi công suất

f2 fn

Khoảng bảo vệ người sử dụngBăng thông

Băng thông vệ tinh

Hình 1.4: Đa truy nhập phân chia theo tần sô

1.2.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Trong TDMA, trục thời gian được chia thành các khe thời gian không chồng lấn và mỗi người sử dụng được ấn định một khe thời gian Trong khoảng thời gian một khe, người sử dụng được chiếm dụng toàn bộ băng thông Thời gian phát của các trạm được đồng bộ Các trạm thu cũng được đồng bộ để có thể thu được đúng lưu lượng trên khe thời gian dành cho nó

Hình 1.5: Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

1.2.3 Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Trong CDMA, cả trục thời gian và tần số được sử dụng đồng thời bởi tất cả người sử dụng Để cho phép phân biệt giữa những người sử dụng, một mã trải phổ được ấn định Các mã có thể là trực giao hoặc không trực giao Thông thường đường xuống sử dụng mã trực giao còn đường lên sử dụng các mã không trực giao Để giảm hiện tượng gần xa, hệ thống CDMA cần sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất

1.2.4 Đa truy nhập DVB-S2/MF-TDMA

Đây là phương pháp đa truy nhập dựa trên nền tảng công nghệ DVB-S2 cho đường lê và MF-TDMA cho đường xuống

TDMA là một giải pháp lai ghép của FDMA và TDMA Trong TDMA, băng thông B của hệ thống được chia thành nhiều kênh tần số nhỏ, mỗi kênh tần số đó sẽ tương ứng với một sóng mang, đồng thời khung thời gian T được chia thành nhiều khe thời gian Như vậy trên mỗi sóng mang con sẽ thực hiện đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và ta có một hệ thống đa truy nhập phân chia theo thời gian đa sóng mang

MF-Hình 1.7: Đa truy nhập phân chia theo thời gian nhiều tần số DVB-S2 là tiêu chuẩn thế hệ thứ 2 cho phát quảng bá qua vệ tinh được phát triển bởi DVB (Digital Video Broadcasting) DVB-S2 hỗ trợ hai kiểu đóng khung

là luồng truyền tải MPEG và luồng chung

Với kiểu đóng khung theo luồng truyền tải MPEG, các gói IP được đóng khung thành luồng truyền tải (Transport Stream - TS) bởi thiết bị đóng khung đa giao thức (MPE) Chiều dài của các gói TS là cố định gồm 188 bytes trong đó có 4 bytes mào đầu

Hình 9: Cấu trúc luồng truyền tải MPEG-2 Với kiểu đóng khung luồng chung, các gói có kích thước cố định hoặc chuỗi các bit được đóng vào khung cơ sở BB Khung BB sau đó được mã hóa FEC tạo thành các FECFRAME Có hai loại FECFRAME là FECFRAME ngắn (16200 bit) và FECFRAME dài (64800 bit) FECFRAME sau đó được điều chế tạo thành khung XFECFRAME XFECFRAME lại tiếp tục được chia nhỏ thành các khe dài

90 ký tự Một PLHEADER dài 90 ký tự được chèn vào đầu XFECFRAME và một khối hoa tiêu dài 36 ký tự được chèn vào sau mỗi 16 khe Dữ liệu này sau đó được

đưa qua bộ lọc cosin tăng căn bậc hai với hệ số roll-off α = 0,35, 0,25, 0,2 phụ thuộc vào các yêu cầu dịch vụ rồi được điều chế cầu phương và phát lên vệ tinh

Hình 10: Quá trình tạo khung truyền dẫn trong DVB-S2

từ các gói tin hoặc chuỗi bit liên tục DVB-S2 hỗ trợ nhiều kiểu điều chế khác nhau (QPSK, 8PSK, 16APSK, 32APSK) với các hệ số điều chế khác nhau cùng khả năng điều chế tương thích vòng kín (ACM) Điều này giúp DVB-S2 tối ưu các tham số đường truyền tùy thuộc điều kiện thời tiết của từng vùng

1.3 Lựa chọn mô hình tổ chức và phương pháp đa truy nhập

Với mô hình thông tin dạng lưới, dữ liệu chỉ qua một bước nhảy vệ tinh nên giảm được độ trễ Do dữ liệu người dùng không qua Hub nên giảm yêu cầu xử lý, giúp giảm giá thành trạm Hub Tuy nhiên độ phức tạp của mạng lại cao hơn, băng thông cũng yêu cầu phải lớn hơn so với mạng hình sao

Với mô hình sao lưới hỗn hợp, ta có thể tận dụng được những ưu điểm của hai mô hình này, đồng thời khắc phục những nhược điểm của chúng Với mô hình này, các trạm cơ động, lưu lượng nhỏ sẽ được tổ chức theo kiểu sao, các trạm có lưu lượng thông tin lớn, yêu cầu về độ trễ thấp sẽ được tổ chức theo kiểu lưới Việc tổ chức này cũng làm cho mạng có tính linh hoạt, mềm dẻo

1.3.2 Lựa chọn phương pháp đa truy nhập

Với những phương pháp đa truy nhập đã phân tích ở mục 1.2, ta thấy mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm sau:

FDMA:

Ưu điểm:

- Có thể sử dụng cho cả truyền dẫn số và tương tự

- Tốc độ thông tin thấp nên ít chịu ảnh hưởng của nhiễu và fading băng hẹp

Nhược điểm:

- Giá thành thiết bị cao

- Kém linh hoạt trong cấp băng thông

- xuất hiện các sản phẩm xuyên điều chế làm méo tín hiệu

TDMA:

Ưu điểm:

- Linh hoạt trong việc cấp băng thông

Nhược điểm:

- Trạm mặt đất có cấu tạo phức tạp, giá thành cao

- Hệ thống yêu cầu phải được đồng bộ

- Nhạy cảm với fading đa đường

- Không sử dụng tối ưu công suất

- Chất lượng thay đổi theo số lượng người dùng

MF-TDMA:

- Tính phức tạp của thiết bị cao

- Vận hành và quản lý phức tạp

Ưu điểm:

- Sử dụng hiệu quả băng thông

- Cho phép phân chia tài nguyên mạng một cách linh hoạt

- Tăng tính bảo mật của mạng

DVB-S2:

Ưu điểm:

- Thích hợp với các ứng dụng phát quảng bá

- Thích nghi với nhiều điều kiện thời tiết khác nhau

- Dòng tín hiệu mềm dẻo phù hợp với nhiều dạng tín hiệu vào: Luồng truyền tải MPEG, dòng bit liên tục, các gói IP, tế bào ATM

- Có khả năng sửa lỗi mạnh

Do băng thông vệ tinh có hạn, vùng phủ sóng rộng, chi phí thiết bị cao Từ những phân tích ưu, nhược điểm của các phương pháp đa truy nhập ta thấy DVB-S2 và MF-TDMA rất thích hợp cho mạng thông tin vệ tinh DVB-S2 được thiết kế cho các ứng dụng quảng bá, có thể đáp ứng nhiều điều kiện đường truyền khác nhau Với MF-TDMA, việc chia sẻ băng tần giúp sử dụng hiệu quả băng thông vệ tinh được cấp phát, phù hợp với mạng có nhiều trạm

1.3.3 Lựa chọn công nghệ nền tảng

Mạng thông tin vệ tinh chuyên dụng là mạng cung cấp đa dịch vụ Để giảm thiểu chi phí đầu tư, có thể dễ dàng thay thế thiết bị, mở rộng mạng lưới và có thể phát triển thêm các dịch vụ mới về sau, mạng sẽ sử dụng công nghệ nền tảng là công nghệ IP Đây là công nghệ có nhiều ưu điểm và đang được sử dụng rộng rãi, đồng thời xu hướng phát triển mạng trên thế giới đều đang tiến tới mô hình mạng toàn IP

CHƯƠNG 2 CÁC LOẠI HÌNH DỊCH VỤ VÀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ

bị giao tiếp với mạng mặt đất, chuyển đổi thành tín hiệu thoại của mạng mặt đất rồi mới được đưa vào mạng mặt đất để đến máy bị gọi

VINASAT 1

Modem

Voice gateway

IP phone Analog phone

Modem

Voice gateway

IP phone Analog phone

Hình 2.1: Kết nối thoại VSAT-VSAT

Hình 2.2: Kết nối thoại VSAT - mạng mặt đất

2.1.2 Dịch vụ truyền số liệu qua vệ tinh

Có hai kiểu truyền số liệu:

Truyền số liệu trực tiếp giữa hai đầu cuối: Việc truyền này đòi hỏi phải thiết lập liên kết giữa hai thuê bao

Truyền số liệu không trực tiếp: Việc truyền số liệu được thực hiện thông qua một hệ thống máy chủ Khi có nhu cầu truyền thông tin, đầu cuối gửi chỉ cần gửi thông tin này lên máy chủ Các đầu cuối có nhu cầu nhận thông tin sẽ truy cập vào máy chủ để lấy thông tin đó

2.1.3 Dịch vụ internet qua vệ tinh

Việc cung cấp dịch vụ internet qua mạng thông tin vệ tinh nhằm tận dụng

và sử dụng hiệu quả tối đa đường truyền trong thời gian nhàn rỗi, đồng thời cũng

mở ra khả năng cung cấp dịch vụ internet cho các đơn vị tại các địa bàn được trang

bị trạm VSAT ở các khu vực vùng sâu, vùng xa

Thiết bị gateway của mạng được kết nối với đường trục internet qua cáp quang Thông tin từ mạng internet sẽ đường truyền tải theo dạng sóng vô tuyến lên

vệ tinh rồi đưa đến các trạm Các trạm VSAT muốn truy cập internet khi đó cần được trang bị thêm modem và máy tính cá nhân Quá trình đưa dữ liệu từ thuê báo máy trạm lên mạng internet cũng đi theo con đường tương tự nhưng ngược lại

Hình 2.3: Dịch vụ internet qua vệ tinh

2.1.4 Dịch vụ hội nghị truyền hình

Dịch vụ hội nghị truyền hình cho phép chúng ta tiếp xúc, nói chuyện với người khác thông qua tiếng nói và hình ảnh Hội nghị truyền hình được ứng dụng trong nhiều hoạt động như: hội thảo, đào tạo từ xa, mổ nội soi từ xa, phục vụ công tác giao ban…

Về tổ chức, hội nghị truyền hình được tổ chức theo hai kiểu là điểm - điểm

và điểm đa điểm Với kiểu thông tin điểm - điểm, tín hiệu truyền hình sẽ được truyền trực tiếp giữa hai đầu cuối Với thông tin đa điểm, tín hiệu từ các đầu cuối được đưa đến bộ điều khiển hội nghị truyền hình đa điểm MCU MCU sẽ thực hiện trộn hình ảnh, âm thanh từ các bên gửi về rồi gửi tín hiệu đã trộn cho các đầu cuối tham gia phiên hội nghị Với hội nghị truyền hình đa điểm, MCU sẽ thực hiện việc khởi tạo, kết thúc phiên và ngắt kết nối khi có bên tham gia rời khỏi phiên hội nghị

Hình 2.4: Dịch vụ hội nghị truyền hình

2.1.5 Dịch vụ truyền ảnh hiện trường

Truyền ảnh hiện trường được sử dụng để truyền hình ảnh do camera ghi lại tại hiện trường, truyền trực tiếp hoặc thông qua phát lại về trung tâm thông tin hoặc một địa điểm nào đó theo yêu cầu Khi cần truyền trực tiếp, hình ảnh từ camera sẽ được truyền về trạm VSAT thông qua cáp hoặc đường vô tuyến Hình ảnh thu được sẽ được đưa qua bộ nén hình để giảm băng thông đồng thời được chuyển thành các gói IP Các gói tin này sau đó được đưa đến modem vệ tinh để điều chế Tại phia thu ta đặt bộ giải nén ảnh để nhận tín hiệu gửi về, chuyển thành tín hiệu video và đưa ra màn hình quan sát

Hình 2.5: Dịch vụ truyền ảnh hiện trường

2.2 Tổ chức và quản lý mạng

2.2.1 Tổ chức mạng TTVT

Mạng TTVT chuyên dụng được thiết kế làm việc trên hai băng tần C và Ku Băng Ku được dự phòng 1:1 Trạm chính được đặt tại Hà Nội, trạm dự phòng đặt tại TP Hồ Chí Minh Khi trạm Hà Nội không hoạt động được vì lý do nào đó, trạm

TP Hồ Chí Minh sẽ được tự động kích hoạt để thay thế hoặc thông qua sự can thiệp của người vận hành mạng Cấu hình dự phòng của trạm TP Hồ Chí Minh đảm bảo 50% lưu lượng của mạng

Mạng VSAT băng C phục vụ các điểm có nhu cầu thông tin ngoài vùng phủ sóng băng Ku Trạm Hub băng C được đặt tại Hà Nội và được kết nối với Hub băng Ku Mạng VSAT băng C chủ yếu cung cấp dịch vụ thoại, truyền số liệu tốc

độ thấp

2.2.2 Quản lý, điều hành mạng

Hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm cung cấp nhiều tính năng khác nhau như:

- Giám sát thời gian thực

- Thông báo các sự cố của mạng

- Cung cấp giao diện đồ họa GUI thuận tiện cho người vận hành mạng

- Hỗ trợ quản lý, giám sát từ xa qua giao diện web

Hub Hà Nội là đầu mối thông tin trong mạng Trong điều kiện bình thường, khi có yêu cầu liên lạc, Hub Hà Nội sẽ tiếp nhận thông tin từ các trạm VSAT, xác nhận và phân bổ băng thông cho các trạm Hub TP Hồ Chí Minh cũng tiếp nhận những thông tin yêu cầu cấp kênh, có thao tác cân đối, phân bổ băng thông song không được quyền chuyển phát thông tin cấp kênh đến các VSAT Thông tin cấp kênh sẽ được Hub Hà Nội gửi đến các trạm

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ KỸ THUẬT TRẠM TRUNG TÂM

CHO MẠNG CHUYÊN DỤNG

3.1 Các yêu cầu khi thiết kế

Mạng thông tin vệ tinh chuyên dụng được sử dụng để đáp ứng các yêu cầu thông tin khi các loại hình thông tin khác gặp khó khăn trong việc tổ chức, thiết lập hay vì lý do địa hình, kinh tế chưa cho phép Mạng cần đảm bảo một số yêu cầu như sau:

- Đảm bảo thông tin liên lạc cho các yêu cầu cơ động nhằm đáp ứng yêu cầu về liên lạc thay thế các loại hình thông tin khác hiện đang gián đoạn hoặc không có

- Hệ thống phải đảm bảo thông tin được thông suốt, ổn định, liên tục

- Cấu trúc hệ thống phải đảm bảo tính dự phòng

3.3 thiết kế mô hình mạng thông tin vệ tinh

3.3.1 Mô hình tổ chức mạng làm việc trên băng tần Ku

Mạng băng Ku gồm 02 trạm Hub đặt tại Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Mạng được tổ chức theo mô hình sao lưới hỗn hợp, gồm các trạm có tốc độ thông tin từ

128 kbps đến 2 Mbps đáp ứng các nhu cầu về thoại/fax, truyền số liệu, truyền hình hội nghị, truyền ảnh hiện trường và dự phòng luồng E1

3.3.2 Mô hình tổ chức mạng làm việc trên băng tần C

Phần băng tần C có quy mô nhỏ nên được tổ chức theo mô hình sao Các trạm hoạt động trong băng tần C chủ yếu là các trạm có tốc độ thấp, đáp ứng các yêu cầu cơ bản về thoại/fax, truyền số liệu tốc độ thấp

3.4 Thiết kế kỹ thuật trạm Hub

3.4.1 Nguyên lý hoạt động của trạm Hub

Ở đường lên, dữ liệu trong mạng dưới dạng gói IP được đưa đến bộ định tuyến Vì đây là dữ liệu cần được phát đi nên bộ định tuyến sẽ chuyển tín hiệu đến

bộ điều chế DVB Tín hiệu sau điều chế sẽ được chuyển sang khối cao tần để đưa lên vệ tinh Ở đường về, các trạm sẽ truyền dữ liệu về theo nguyên lý MF-TDMA Tại Hub sẽ có bộ thu đa sóng mang Tín hiệu từ các trạm phát về sẽ được đưa xuống băng tần cơ sở rồi được giải điều chế Sau khi giải điều chế ta thu được các gói tin IP Các gói tin này sẽ được đưa đến bộ định tuyến để chuyển đến đích