Nghiên cứu và đề xuất mô hình hệ thống thông tin vệ tinh tầm thấp băng rộng tại việt nam TT

MỞ ĐẦU Hiện nay trong kỷ nguyên kỹ thuật số phát triển với tốc độ chóng mặt với nhu cầu tăng theo số mũ về các ứng dụng của trí tuệ nhân tạo, các ứng dụng Internet thế hệ mới, các ứng dụ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

TRẦN MẠNH THẮNG

NGHIÊN CỨU VÀ ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH HỆ THỐNG THÔNG TIN

VỆ TINH TẦM THẤP BĂNG RỘNG TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

Mã số: 08.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ (Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI – 2021

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG TRỌNG MINH

Phản biện 1: ………

………

Phản biện 2: ………

………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS ĐẶNG HOÀI BẮC

Phản biện 1: TS ĐINH TRIỀU DƯƠNG

Phản biện 2: PGS.TS NGUYỄN TÀI HƯNG

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc: 8 giờ 00 ngày tháng 12 năm 2021

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Hiện nay trong kỷ nguyên kỹ thuật số phát triển với tốc độ chóng mặt với nhu cầu tăng theo số mũ về các ứng dụng của trí tuệ nhân tạo, các ứng dụng Internet thế hệ mới,

các ứng dụng IoT… hạ tầng viễn thông tại Việt Nam phải đặt ra mục tiêu: “Xây dựng

được hạ tầng số đạt trình độ tiên tiến của khu vực ASEAN; Internet băng thông rộng phủ 100% các xã” và đến năm 2030 “Mạng di động 5G phủ sóng toàn quốc; mọi người dân được truy cập Internet băng thông rộng với chi phí thấp.”

Song song với việc nâng cao dung lượng các đường truyền cáp quang đường trục liên tỉnh và quốc tế việc nâng cao khả năng tương tác của các dịch vụ qua vệ tinh cũng cần được quan tâm và nâng cấp là điều cần thiết

Trong những năm gần đây, thế giới chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ chùm vệ tinh phi địa tĩnh ứng dụng phổ biến trong việc cung cấp Internet băng rộng toàn cầu Đó là các

hệ thống GX của Inmarsat, Epic của Intelsat, Viasat 3 của Viasat, Starlink của SpaceX, chùm vệ tinh của Oneweb, SES, Boeing Các hệ thống này được xây dựng với mục đích cung cấp dịch vụ viễn thông giá rẻ cho hàng tỷ người dân ở các khu vực chưa có cơ hội tiếp cận Internet băng rộng

Do vậy, hệ thống chùm vệ tinh với những công nghệ mới có thể thành công trong kỷ nguyên Internet, có thể đem cung cấp dịch vụ Internet toàn cầu với giá thành rẻ, cạnh tranh hay không là những vấn đề mà đề tài đang muốn nghiên cứu và tìm câu trả lời

Nắm bắt được xu thế công nghệ và nhu cầu chia sẻ dữ liệu băng rộng tại các vùng dân cư thưa thớt hoặc các vùng khó triển khai mạng lưới như biên giới hải đảo Do vậy,

Đề tài đi vào nghiên cứu, đề xuất mạng vệ tinh tầm thấp băng rộng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển trên nhằm nâng cao khả năng liên lạc đáp ứng nhu cầu của các dịch vụ băng rộng trong kỉ nguyên công nghệ số: tốc độ cao, khả năng đáp ứng thuậnn tiện, độ trễ truyền dẫn thấp với giá thành chấp nhận được

Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan hiện trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh băng rộng và vệ tinh tầm thấp

Chương 2: Phân tích các tham số không gian cho hệ thống vệ tinh tầm thấp Chương 3: Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh tầm thấp băng rộng tại Việt Nam

CHƯƠNG I - TỔNG QUAN HIỆN TRẠNG KHAI THÁC VỆ TINH ĐỊA TĨNH BĂNG RỘNG VÀ VỆ TINH TẦM THẤP 1.1 Khái quát chung về thông tin vệ tinh:

- Thông tin vệ tinh là vệ tinh nhân tạo đặt trong không gian dùng cho viễn thông, được dùng trong các ứng dụng di động như thông tin cho tàu xe, máy bay, thiết bị cầm tay và cho cả tivi và quảng bá khi mà các kỹ thuật khác như cáp không thực tế hoặc không thể

- Việc phân bổ tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quy trình phức tạp đòi hỏi sự phối hợp và lập kế hoạch quốc tế theo bổ trợ của ITU

o Khu vực 1: Châu âu, Châu Phi và một phần Mông Cổ

o Khu vực 2: Bắc và Nam Mỹ, đảo Greenland

o Khu vực 3: Châu Á, Úc và miền Nam Tây Thái Bình Dương

- Các dạng quỹ đạo vệ tinh: vệ tinh được chia làm 3 quỹ đạo hoạt động chính:

o Vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO – Low Earth Orbit): 320 - 1100 km so với trái đất

o Vệ tinh quỹ đạo trung (MEO – Middle Earth Orbit): 8000 - 1200 km so với trái đất

o Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh (GEO - Geostationary Earth Orbit): 36.000 km

so với trái đất

1.2 Tổng quan về vệ tinh địa tĩnh băng rộng và thực trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh ở Việt Nam:

1.2.1 Giới thiệu về vệ tinh địa tĩnh

- Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo tròn ngay phía trên xích đạoTrái Đất (vĩ độ 0º) Một trạm bất kỳ nằm trên trái đất quay cùng một hướng và với cùng một chu kỳ (vận tốc góc)

với trái đất và cách trái đất là 36.000 km

- Các tần số phân bổ cho các vệ tinh địa tĩnh là băng tần C và băng tần Ku Các dịch

vụ quảng bá trực tiếp đến tivi của các hộ người dùng được thực thi trên băng tần Ku

(14/12 GHz)

- Các dịch vụ qua vệ tinh địa tĩnh: truyền hình vệ tinh, các dịch vụ FSS, Internet, radio vệ tinh, dẫn đường

1.2.2 Thực trạng khai thác vệ tinh địa tĩnh băng rộng tại Việt Nam:

- Việt Nam sở hữu và khai thác các vệ tinh từ năm 2008 (Vinasat-1) và 2012 (Vinasat-2), các vệ tinh này được sản xuất bởi hãng Lockheed Martin (Mỹ) và có tuổi thọ thiết kế dự kiến là 15 - 20 năm

- Vệ tinh Vinasat-1 và 2 được thiết kế để cung cấp tuyến lên và tuyến xuống với vùng bao phủ là các khách hàng tại Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan và một phần Myanma

- Băng tần:

o Vinasat-1 bao gồm: 12 kênh băng C, 10 kênh 36MHz và 2 kênh 72MHz, tần số tuyến lên 6430 – 6720 MHz và tần số tuyến xuống 3405 – 3695 MHz; 12 kênh băng Ku có băng thông 36MHz với tần số tuyến lên từ 13.75GHz đến 14.5 GHz và tần số tuyến xuống từ 10.95 GHz đến 11.7 GHz

o Vệ tinh Vinasat-2 bao gồm 34 kênh băng Ku, 30 kênh có băng thông 36MHz và bốn kênh có băng thông 72MHz

- Khả năng khai thác: Hiện nay, hầu hết các bộ phát đáp băng C của vệ tinh

Vinasat-1 đã được lấp đầy hoàn toàn bởi khách hàng trong và ngoài nước Đối với các bộ phát đáp băng Ku ở trên vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat-2 thì khả năng lấp đầy đạt khoảng 50-60% dung lượng Vệ tinh địa tĩnh có thể cung cấp được băng thông rộng với tốc độ đủ cao để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng

- Tồn tại:

o Do khoảng cách giữ vệ tinh và trái đất là rất xa nên xuất hiện vấn đề về

độ trễ trong việc truyền tải dữ liệu Đặc tính này hiện đang là vấn đề tồn đọng của hệ thống vệ tinh địa tĩnh mà nó khó khắc phục

o Chi phí hoạt động khá cao, cần các thiết bị đầu cuối phức tạp, cồng kềnh khi triểnh khai cho các dịch vụ mặt đất

1.3 Đánh giá về tiềm năng khai thác về vệ tinh quỹ đạo thấp trên thế giới và tại Việt Nam:

1.3.1 Khái quát về vệ tinh quỹ đạo thấp:

- Vệ tinh quỹ đạo thấp là các vệ tinh hoạt động ở quỹ đạo có khoảng cách so với trái đất từ 310 – 1200 km Các vệ tinh này có tốc độ di chuyển khoảng 7.78 x 103 m/s và hoàn thành một chu kỳ quay quanh trái đất là khoảng 128 phút (một ngày có thể thực hiện 10 – 12 chu kỳ quỹ đạo)

- Chùm vệ tinh là tập hợp một nhóm vệ tinh hoạt động đồng thời và cách nhau một khoảng cách nhất định để cung cấp phạm vi phủ sóng cần thiết Cần phải giảm sát, quản

lý trạng thái và chức năng của chùm hàng nghìn vệ tinh

- Vệ tinh LEO thường được sử dụng cho ứng dụng liên lạc, trinh sát quân sự, theo dõi khí tượng, thăm dò địa chất…

1.3.2 So sánh cơ bản vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo thấp:

- Các tham số đối chiếu: Quỹ đạo, cao độ, chu kỳ quỹ đạo, số lượng vệ tinh, chi phí, tuổi đời vệ inh

Quỹ

đạo Cao độ

Chu

kỳ quỹ đạo

Trễ truyền dẫn

Số lượng vệ tinh bao phủ toàn cầu

Chi phí cho 1 vệ tinh

Tuổi đời vệ tinh

triệu USD

15-20 năm

2000-25.786

km

24h

127p-~27-477

ms

5-30 phụ thuộc vào cao độ

80-100 triệu USD

10-15 năm

GEO 160-2000

km

127p

88-~2-27ms Từ hàng trăm

đến hàng nghìn

0,5-45 triệu USD

5-10 năm

1.3.3 Tiềm năng cạnh tranh giữa vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo thấp:

a Đánh giá về chi phí đầu tư sản xuất:

- Để đánh giá tiềm năng phát triển của vệ tinh quỹ đạo thấp, ta hãy so sánh nó với các vệ tinh đang chiếm ưu thế trong lĩnh vực vệ tinh của 20 năm nay, đó là vệ tĩnh quỹ đạo địa tĩnh Bởi vì hầu hết các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp đầy tham vọng trong tương lai đang được thực hiện bởi những nhà đầu tư mới (tức là không phải các nhà sản xuất và phát triền vệ tĩnh quỹ đạo địa tĩnh truyền thống)

- Nếu chúng ta nhìn nhận theo cách tính toán chi phí đầu tư sản xuất một vệ tính bằng cách tính chi phí cụ thể ra một Gbps thì ta sẽ đánh giá được sự khác nhau về chi phí đầu tư, sản xuất một vệ tinh địa tĩnh với một vệ tinh quỹ đạo thấp Ở đây, ta sẽ đánh giá chi phí sản xuất ra một Gbps giữa OneWeb (đại diện cho các vệ tinh quỹ đạo thấp) và các nhà điều hành vệ tinh địa tĩnh truyền thống

Bảng 1.3 So sánh chi phí đầu tư ra 1Gbps của Oneweb và Viasat-3

b Đánh giá về mức giá của các dịch vụ:

- Vệ tinh thông lượng cao (HTS – High Throughput Satellite) đã dẫn đến sự khác biệt về chi phí cho các dịch vụ vệ tinh, với tốc độ kết nối băng thông rộng giảm nhanh hơn Giá thành băng thông rộng cho các dịch vụ HTS của vệ tinh địa tĩnh nằm khoảng từ 250$ đến 400$ mỗi tháng

- Kết hợp với công suất cao, thời hạn hợp đồng ngắn hạn (và do đó, các hợp đồng cạnh tranh hơn), vệ tinh quỹ đạo thấp có thể nhanh chóng giảm chi phí băng thông vệ tinh trên toàn cầu

- Bảng 1.4: Bảng tham chiếu bán lẻ dịch vụ vệ tinh trên thế giới

1.3.4 Tính cạnh tranh của các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp với các hạ tầng viễn

thông mặt đất

- Ngay cả khi giá cả đã giảm trong những năm qua, băng thông rộng vệ tinh vẫn đắt

so với khả năng kết nối từ các công nghệ trên mặt đất với cùng tốc độ Điều này đặc biệt

liên quan đến Châu Á và Thái Bình Dương, nơi các nhà cung cấp phải cạnh tranh với những người dùng có thu nhập thấp hơn so với những người dùng ở các nơi khác trên thế giới

- Sự cạnh tranh lớn nhất có thể không đến từ ngành công nghiệp vệ tinh mà từ sự

mở rộng hơn nữa của các dự án viễn thông trên mặt đất mà tương lai là 5G Nếu các dự án

vệ tinh quỹ đạo thấp có thể giúp giảm chi phí của kết nối vệ tinh một cách đáng kể, nó vẫn không thể cạnh tranh với mạng mặt đất khi cơ sở hạ tầng cố định đã có

Hình 1.4: Bảng so sánh các công nghệ truyền dẫn theo mật độ dân cư

1.3.5 Tiềm năng khai thác vệ tinh quỹ đạo thấp tại Việt Nam:

- Việc thiếu cơ sở hạ tầng kỹ thuật số này thể hiện một cơ hội bị bỏ lỡ để tăng tốc phát triển kinh tế và xã hội Các ước tính mới nhất từ Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) cho thấy 3,7 tỷ mọi người vẫn chưa tham gia trực tuyến (49% dân số toàn cầu) và 63% hộ gia đình nông thôn không có truy cập Internet

- Tính đến tháng 1/2021, dân số Việt Nam đạt mốc 97.8 triệu dân, với tỷ lệ dân thành thị là 37.7% Trong đó, có khoảng 68.17 triệu người đang sử dụng Internet (chiếm 70.3% dân số) thông qua các nền tảng, ứng dụng khác nhau, với thời lượng trung bình là

6 giờ 47 phút (nguồn: www.vnetwork.vn)

- Đồng nghĩa với điều này là nhu cầu sử dụng các gói dịch vụ di động tăng lên, nhu cầu giải trí, làm việc, nghiên cứu qua mạng Internet cũng tăng lên, các ứng dụng kỹ thuật

số xuất hiện nhiều hơn Do đó, Việt Nam đang là một trong những thị trường rất tiềm

năng cho việc phát triển các dịch vụ viễn thông băng thông rộng của khu vực Châu Á Và việc triển khai các dự án vệ tinh quỹ đạo thấp kết hợp với hạ tầng viễn thông mặt đất theo

mô hình backhaul network sẽ là một giải pháp để có thể đảm bảo được nhu cầu thông tin liên lạc của nước ta trong tương lai

1.4 Kết luận chương:

- Đây là một nội dung mang tính tổng hợp, để qua đó có cái nhìn khái quát về hiện trạng khai thác của vệ tinh nói chung, đặc biệt là vệ tinh quỹ đạo thấp trong những thay đỗi về công nghệ và nhu cầu trong những năm vừa qua Khả năng đáp ứng các dịch vụ băng rộng của vệ tinh truyền thống đã gặp phải những thách thức mạnh mẽ từ các yêu cầu thực tế Bù đắp lại các khiếm khuyết đó, vệ tinh tầm thấp LEO với băng thông lớn,

độ trễ nhỏ và giá thành chấp nhận được cùng khả năng triển khai ở mọi vùng địa hình, dân cư đang mở ra một triển vọng mới cho công nghệ truyền dẫn vệ tinh trên thế giới và tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 - PHÂN TÍCH CÁC THAM SỐ KHÔNG GIAN CHO

HỆ THỐNG VỆ TINH TẦM THẤP.

2.1 Khái niệm chung về vệ tinh quỹ đạo tầm thấp:

2.1.1 Giới thiệu chung:

- Quỹ đạo Trái đất thấp (LEO - Low Earth Orbit ), như tên gọi cho thấy, là một quỹ đạo tương đối gần với bề mặt Trái đất Quỹ đạo này thường ở độ cao dưới 2000 km nhưng có thể thấp tới 160 km so với Trái đất - thấp so với các quỹ đạo khác, nhưng vẫn rất xa so với bề mặt Trái đất

Hình 2.2: Vùng phủ của các mô hình vệ tinh theo quỹ đạo

2.1.2 Đặc điểm cơ bản của vệ tinh LEO:

- Cần sử dụng một mạng lưới các vệ tinh quỹ đạo thấp để phủ sóng toàn cầu

- Các vệ tinh này công suất không lớn như các vệ tinh MEO và GEO

- Do tốc độ di chuyển cao, các vệ tinh di chuyển vào và ra khỏi phạm vi của trạm mặt đất rất nhanh theo thời gian Vì vậy, dữ liệu có thể được truyền từ vệ tinh này sang vệ tinh khác để không bị gián đoạn liên lạc

- Đưa các vệ tinh LEO vào quỹ đạo tốn ít năng lượng hơn nhiều so với MEO và GEO, hơn nữa các bộ khuếch đại của họ vệ tinh này cũng tiêu thụ ít điện năng hơn

- Chúng khá rẻ so với các phương thức truyền thông dữ liệu khác, vì vậy chúng có thể được sử dụng như một phương thức truyền dẫn kinh tế hơn cho các khu vực kém phát triển

- Mạng LEO có thể được sử dụng để thiết lập mạng lưới ở những địa hình xa xôi, nơi không thể đặt đường dây như trên đất liền

2.1.3 Các loại vệ tinh LEO và các ứng dụng:

Bảng 2.1 Phân loại các hệ thống vệ tinh LEO

Loại hệ thống LEO nhỏ LEO cỡ lớn LEO băng rộng

tương tác

Dữ liệu Điện thoại di động Cáp quang

2.2 Quỹ đạo vệ tinh

2.2.1 Các mô hình mạng vệ tinh:

Mục đích chính trong việc thiết kế một mạng vệ tinh là (1) đáp ứng yêu cầu cụ thể của mạng, (2) mật độ vùng phủ (hoặc mức độ chấp nhận được của vùng phủ mạng vệ tinh), (3) số lượng mặt phẳng quỹ đạo và số lần phóng lên quỹ đạo, (4) độ cao quỹ đạo

và (5) chi phí Hình 2.4 minh họa một mặt phẳng quỹ đạo của 8 vệ tinh trong một mạng

vệ tinh đa quỹ đạo ở minh họa này, mỗi một vệ tinh hoạt động ở độ cao 550 km

Hình 2.4: Mô phỏng vùng phủ của vệ tinh ở độ cao 600km

Do vậy, số lượng vệ tinh trong một mặt phẳng quỹ đạo, tổng số lượng vệ tinh trong mạng và cao độ hoạt động của vệ tinh sẽ được xem xét nghiên cứu để xác định số lượng

vùng bao phủ của mạng vệ tinh lên bề mặt Trái đất

Khoảng cách của khoảng trống này (hoặc chồng chéo vùng phủ) là một hàm của cao

độ và số lượng vệ tinh trong cùng một mặt phẳng của quỹ đạo.Nếu có 9 vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo thì tại độ cao quỹ đạo thấp nhất là 400 km, các vòng bao phủ của các

vệ tinh liền kề sẽ chỉ chạm vào nhau Tại độ cao lớn hơn, vùng phủ sóng của vệ tinh sẽ chồng lấn lên nhau với số khoảng cách chồng lấn tương ứng Và tương tự như vậy với 8

vệ tinh trên mỗi mặt phẳng quỹ đạo, độ cao quỹ đạo sẽ phải được nâng lên khoảng 540

km để đạt được kết quả tương tự

Số lượng vùng chồng lấn trong đó phạm vi vùng phủ liên tục xác định chiều rộng của và vĩ độ công tác vệ tinh

Hình 2.5: Biến thiên giữa khoảng trống của các vùng phủ với số lượng vệ tinh

trên cùng một mặt phẳng quỹ đạo

2.3 Quỹ đạo và các tham số liên quan

Quỹ đạo đồng bộ mặt trời Quỹ đạo Elip nghiêng

Hình 2.9: Các quỹ đạo cực, nghiêng, quỹ đạo mặt trời và hình elip nhìn từ mặt trời

2.3.2 Gia tốc trọng trường, vận tốc, chu kỳ:

Gia tốc trọng trường, g(H), tại độ cao H, biến thiên nghịch đảo với bình phương của

Quan hệ của gia tốc trọng trường, vận tốc quay tại cao độ bất kỳ được tóm tắt trong

Bảng 2.3 cho vệ tinh ở độ cao 600 km

Bảng 2.3: Ví dụ về độ cao, vận tốc, chu kỳ và gia tốc hướng tâm ở cao độ 600km