Chương 1 Hệ thống VSAT pps

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH VSAT 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG: VSAT Verry Small Aperture Terminal nghĩa là “trạm thông tin vệ tinh mặt đất cỡ nhỏ”, được lắp đặt tại các địa điểm th

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH VSAT 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG:

VSAT (Verry Small Aperture Terminal) nghĩa là “trạm thông tin vệ tinh mặt

đất cỡ nhỏ”, được lắp đặt tại các địa điểm thuê bao để liên lạc trực tiếp với một trạm VSAT khác hoặc với một trạm chủ (HUB), từ đó kết nối qua mạng viễn thông mặt đất

Trong chương này đề cập và tìm hiểu các khái niệm cơ bản về trạm mặt đất VSAT, sơ lược hoạt động và cấu trúc như thế nào cũng như các ứng dụng cụ thể Ngoài ra còn trình bày tính năng trong ứng dụng , dịch vụ và cả các giao diện mặt đất

1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG VSAT: (Verry Small Apature Terminal) 1.2.1 Mạng VSAT:

Hình 1.1 Ví dụ tổng quan về hệ thống vệ tinh VSAT

Thông tin vô tuyến dùng khoảng không gian làm môi trường truyền tín hiệu Chỉ cần lắp đặt các thiết bị thu, phát ở một khoảng cách thích hợp hoặc chuyển tiếp qua vệ tinh Bằng phương pháp: Bên phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng

1

điện từ, phía thu nhận sóng điện từ, từ bên phát qua không gian hoặc qua vệ tinh tách lấy tín hiệu gốc Việc sử dụng thông tin vô tuyến có nhiều tính năng ưu việt, tín hiệu không bị ngắt khi có các thảm hoạ, thiết lập dễ dàng, phạm vi rộng, có tính hiệu quả kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi trong truyền hình, hàng không, quân sự, thông tin vệ tinh - vũ trụ Tuy nhiên nó có một số nhược điểm như là hiện tượng Fading, suy hao do mưa và nhiễu vì thông tin vô tuyến dùng không gian làm môi trường truyền tín hiệu.

Việc ứng dụng thông tin vô tuyến cho truyền thông chủ yếu được chia thành

ba loại: thông tin cố định, thông tin di động và thông tin vệ tinh Đề tài này chỉ tìm hiểu phần thông tin vệ tinh đó là mạng VSAT và tuyến thông tin

Từ VSAT (Very Small Aperture Terminal) có nghĩa là đầu cuối có khẩu độ nhỏ, biểu thị một sự đổi mới công nghệ trong lĩnh vực thông tin vệ tinh VSAT là thiết bị được biết như là một trạm mặt đất, được dùng để nhận tín hiệu từ vệ tinh truyền tới Cho phép truyền tín hiệu qua vệ tinh một cách đáng tin cậy, mà chỉ cần

sử dụng đĩa anten có đường kính điển hình vào khoảng 0,69m đến 1,30m (2 feet – 4 feet) Các đĩa anten này được đặt trên nóc nhà hay trên mặt đất

Theo chức năng, trạm mặt đất VSAT được chia làm ba phần là anten, khối thiết bị ngoài ODU (Out Door Unit) và khối thiết bị trong nhà IDU (In Door Unit) được kết nối bởi một cặp dây cáp Các VSAT trao đổi thông tin với nhau qua mạng

2

tránh can nhiễu đến từ các hệ thống thông tin khác cũng sử dụng băng tần C Các hệ thống hai chiều (two – way) dựa trên các nguyên lý trên cũng được đưa vào sử dụng Tuy nhiên, sau đó xuất hiện một hệ thống mới với băng tần Ku với khả năng đảm bảo thông lượng dữ liệu rất cao (56 – 64 Kbit/s) và sử dụng kỹ thuật điều chế khác (kết hợp giữa TDM và TDMA)

Tên gọi VSAT ban đầu là một nhãn hiệu thương mại đã được thừa nhận rộng rãi để gọi các hệ thống vệ tinh lẫn các mạng (mạng VSAT) Sự thành công về khái niệm tên gọi VSAT xuất phát từ một vài yếu tố:

- Do nhu cầu thị trường (các mạng thông tin thương mại) cần phải có các kết nối trực tiếp, với giá thành rẻ giữa các đầu cuối từ xa với thiết bị xử lý trung tâm (máy chủ)

- Sự ra đời các vệ tinh có công suất lớn

- Các quy định đối với công nghệ vệ tinh ngày càng trở nên dễ dàng hơn

- Những tiến bộ to lớn trong công nghệ trạm mặt đất đã cho phép giảm giá thành và nâng cao khả năng hệ thống VSATs

1.2.3 Kiến trúc mạng VSAT:

Mạng VSAT là mạng cố định vệ tinh sử dụng vệ tinh địa tĩnh có độ cao 35.786 km so với bề mặt trái đất và độ trễ đường truyền cho một bước nhảy khoảng 0.25 s (theo đường: trạm mặt đất - vệ tinh - trạm mặt đất) Mạng VSAT có ba cấu hình tiêu biểu: mạng sao (STAR), mạng lưới (MESH) và cấu hình kết hợp cả mạng sao và mạng lưới (Star-Mesh)

3

Hình 1.2 Cấu hình sao và cấu hình lưới của mạng VSAT

Cấu hình hỗn hợp cho phép nhóm các trạm VSAT liên lạc giữa cấu hình lưới với cấu hình sao Cấu hình này phù hợp với mạng mà một số trạm sử dụng có nhu cầu về lưu lượng lớn hơn hẳn các trạm VSAT khác ở trong mạng Các trạm có nhu cầu lưu lượng cao được cung cấp bởi cấu hình lưới (MESH) và giảm chi phí do không cần phải thiết lập thêm phần thiết bị trạm chủ HUB và phần mạng còn lại vẫn

sử dụng cấu hình mạng sao

1.2.3.1 Mạng VSAT hình sao(STAR):

Hình 1.3 Mạng hình sao

Hiện nay, các đường truyền của hầu hết những hệ thống VSAT đều dựa trên

kỹ thuật TDM/TDMA và được xây dựng theo cấu trúc hình sao

4

Mạng VSAT hình sao (star) gồm có N VSAT và một trạm Hub Mỗi trạm VSAT có thể phát tới k sóng mang, tương ứng với các kết nối giữa các đầu cuối gắn tới VSAT và tương ứng với những ứng dụng tại máy tính chủ kết nối với trạm Hub Đây là cấu hình mạng tập trung, nơi tất cả mọi liên lạc đến và đi từ các thiết bị đầu cuối đều thông qua bộ phận điều khiển trung tâm Các đường truyền của hầu hết các trạm VSAT đều dựa trên kỹ thuật TDM/TDMA và các tuyến thông tin được thiết lập trong một mạng giữa các trạm VSAT tới trạm Hub.

Các mạng hình sao có thể được sử dụng để triển khai các đường truyền một chiều hay hai chiều giữa các trạm Hub và các trạm VSAT từ xa

Các mạng VSAT một chiều được sử dụng rộng rãi cho mục đích phân phối

dữ liệu Một trung tâm dữ liệu được kết nối tới trạm Hub, trạm này sẽ quảng bá các tín hiệu dữ liệu đến các VSAT Trong hầu hết các trạm Hub hiện nay đang sử dụng tốc độ bít của luồng dữ liệu được phân phối thay đổi từ thấp (dưới 9600 bit/s) đến cao (1,5 Mbit/s hay 2Mbit/s) Trong các trường hợp này, các trạm VSAT từ xa thường chỉ được trang bị để thu tín hiệu

Các mạng VSAT hai chiều cung cấp các tuyến thông tin dữ liệu hai chiều giữa một thiết bị xử lý dữ liệu trung tâm (một hay nhiều máy tính chủ) được kết nối tới các trạm Hub và các thiết bị dữ liệu đầu cuối được kết nối tới trạm VSAT Lúc này các trạm VSAT được trang bị cả hai mục đích phát/thu

 Một số đặc tính cơ bản của mạng hình sao:

- Khả năng thiết lập đồng thời các tuyến thông tin giữa trạm Hub với các trạm VSAT, kể cả một chiều lẫn hai chiều

- Trong trường hợp các mạng hai chiều, hầu hết các ứng dụng chính đều liên quan đến truyền số liệu giữa các VSAT ở xa và trạm Hub Trong mạng hai chiều, tổng lưu lượng từ một trạm Hub đến trạm VSAT (tuyến ra, nhiều kênh) Lưu lượng này thường bao gồm các cụm tín hiệu dữ liệu, thường được tập hợp dưới dạng các mạng dữ liệu chuyển mạch gói PSDN

- Các kênh tuyến ra từ trạm Hub đến các trạm VSAT yêu cầu công suất RF tương đối cao từ bộ phát đáp vệ tinh, trong khi đó kênh tuyến vào từ mỗi VSAT tới trạm Hub chỉ yêu cầu nhỏ (trừ khi nhiễu có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng

5

đường truyền) Cho nên bộ phát đáp vệ tinh nói chung chỉ được sử dụng ở một chế

độ công suất giới hạn, với toàn bộ công suất RF được điều khiển bởi các yêu cầu trên kênh tuyến ra

- Vấn đề kinh tế, mô hình tối ưu của mỗi trạm mặt đất (Hub và VSAT) sao cho chi phí (Thiết bị và phần không gian) phải tương xứng với lưu lượng thông tin của nó

Trong các mạng hình sao, vẫn có thể thiết lập các đường thông tin giữa các VSAT thông qua trạm Hub, nhưng phải chấp nhận độ trễ truyền vệ tinh lên gấp đôi (khoảng 500ms) Trong trường hợp các đường thông tin dữ liệu, thường vấn đề trễ được giải quyết bằng các cách tính toán độ trễ trong giao thức thông tin Những đường thông tin thoại cũng chấp nhận độ trễ truyền này nếu được trang bị bộ triệt phản hồi chất lượng cao

1.2.3.2 Mạng VSAT hình lưới (MESH):

VSAT C

A to B

B to A

B to C

C to B

C to A

A to C

VSAT

VSATVSAT

Hình 1.4 Mạng hình lưới

Trong mạng VSAT hình lưới (mesh) các kết nối được triển khai trực tiếp giữa các VSAT ở xa với nhau Tất nhiên một trạm mặt đất trung tâm vẫn có thể cần thiết cho việc ấn định, kết nối, huỷ kết nối cuộc gọi Tuy nhiên trong suốt thời gian cuộc gọi hoạt động của trạm mặt đất trung tâm là không liên tục, và các đường truyền trực tiếp đóng vai trò tích cực Đây là lý do tại sao các mạng VSAT hình lưới thường được xem như là các mạng VSAT không Hub

Mạng lưới rất lý tưởng cho các yêu cầu đường trung kế điểm-điểm Trạm mặt đất có yêu cầu thông tin cho một trạm khác được kết nối thẳng tới trạm đó bằng các liên kết đơn kênh trên mỗi sóng mạng SCPC (Signal Channel Per Carrier) hay

đa kênh trên mỗi sóng mang MCPC (Multiple Channel Per Carrier)

Mạng lưới không yêu cầu các trạm VSAT lớn Bất cứ một đầu cuối nào trong mạng lưới cũng có thể chỉ định là trạm điều khiển và được gắn với hệ thống điều khiển mạng Hệ thống bao gồm các bộ xử lý điều khiển mạng và các chức năng quản lý mạng như tính cước, ổn định kênh truyền, thống kê và bảo dưỡng

1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ CỦA HỆ THỐNG VSAT:

1.3.1 Tổng quát về tính ưu-nhược của hệ thống VSAT:

Các hệ thống VSAT thường được sử dụng dưới hình thức tư nhân, một nhóm người sử dụng khép kín, hay các mạng thông tin số trong đó các trạm VSAT từ xa được thiêt lập trực tiếp tại khuôn viên của người sử dụng từ xa

Xét mạng VSAT có những ưu điểm so với các mạng thông tin mặt đất khác:

 Ưu điểm:

- Loại trừ được yếu tố địa hình, khoảng cách

7

- Cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, từ cung cấp dịch vụ quảng bá đến dịch vụ viễn thông, internet; từ việc sử dụng làm truyền dẫn cho mạng viễn thông đến sử dụng làm truyền dẫn cho thiết lập mạng dùng riêng.

- Có tính khả chuyển cao trong thay đổi loại hình dịch vụ cung cấp và cấu hình mạng

- Có chất lượng truyền dẫn tốt ( tỷ lệ lỗi bít < 10-7

1.3.2 Các ứng dụng trong thông tin một chiều:

 Phân phối dữ liệu và phân phối tín hiệu Video:

Ứng dụng phân phối dữ liệu (truyền thông dữ liệu) là ứng dụng phổ biến nhất của thông tin một chiều, tức là phân phối thông tin dưới dạng tín hiệu số từ Hub tới tất cả các thuê bao hoặc một số các giới hạn trong thuê bao (như: tin tức, thông cáo báo chí, thông tin thời tiết, truyền hình giải trí )

8

Việc phân phối tín hiệu Video tới các trạm VSAT có thể thực hiện dưới hai hình thức chính:

- Dùng VSAT thu các tín hiệu Video (hoặc truyền hình) ở tốc độ bít thấp (1.5 hay 2.4Mbit/s), tức là hoạt động theo chế độ bình thường

- Thu các tín hiệu số hay tín hiệu TV/FM truyền thống (analog), dưới dạng chức năng phụ trợ của VSAT Chức năng thường được thực hiện thông qua một cổng ra phụ ở khối chuyển đổi nhiễu thấp (LNC: Low noise Convertor)

 Thu nhập dữ liệu:

Các VSAT một chiều có thể sử dụng ở hướng ngược lại từ trạm VSAT đến các Hub cho mục đích thu nhập dữ liệu Nghĩa là truyền dữ liệu tự động thông qua VSAT từ các bộ cảm biến từ xa Các ứng dụng phổ biến là giám sát khí tượng hay môi trường, giám sát mạng truyền tải điện tự động…

1.3.3 Các ứng dụng trong thông tin hai chiều:

 Truyền dữ liệu:

Thông tin vệ tinh VSAT hai chiều bổ sung thêm cho các dịch vụ thông tin một chiều ở trên, các dịch vụ thông tin VSAT hai chiều mang lại một phạm vi ứng dụng gần như không giới hạn

Đối với truyền dữ liệu, các mạng VSAT thương mại ngày càng sử dụng phổ biến cho rất nhiều hình thức truyền dữ liệu khác nhau, đặc biệt là với truyền dữ liệu hai chiều Điều này làm cho tính linh động của mạng tăng lên rất nhiều và đặc biệt

là đối với kiểu truyền dữ liệu và file theo phương pháp tương hổ hoặc theo kiểu luân phiên hỏi đáp Trong thực tế các mạng VSAT hoạt động tương tự như “Mạng

9

dữ liệu chuyển mạch gói (PSDN: Packet Switched Data Network )” Các ứng dụng điển hình của mạng như: chuyển đổi truyền trọn gói các file dữ liệu quản lý trong kinh doanh từ các chi nhánh về trung tâm xử lý dữ liệu, thu thập dữ liệu và đặc biệt cung cấp dịch vụ điều khiển và giám sát dữ liệu theo yêu cầu (SCADA: Supervisory Control And Data), các dịch vụ thư điện tử, xử lý từ xa các VSAT có thể truy cập vào một máy tính chủ thông qua Hub.

 Video hội nghị:

Đối với truyền Video hội nghị, theo sự phát triển kỹ thuật nén hình ảnh số, các bộ mã hoá và giải mã (coder) video tốc độ bít thấp đã tạo điều khiển cho việc thực thi hình thức video hội nghị phục vụ cho các hoạt động kinh doanh với mục đích tiết kiệm chi phí và thời gian đi lại

1.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT CỦA VSAT:

1.4.1 Tổng quan về các kiểu VSAT:

khái niệm: cấu hình kết hợp cả mạng sao và mạng lưới (Star-Mesh) của mạng VSAT

- Mạng hình sao: Gồm một trạm mặt đất trung tâm gọi là Hub, được trang bị một anten tương đối lớn và một trạm mặt đất từ xa được trang bị anten cỡ nhỏ Mọi đường thông tin giữa các trạm VSAT từ xa đều thông qua Hub

Luồng thông tin từ Hub tới VSAT được thực hiện trên kênh tuyến ra (outbound), còn luồng thông tin giữa VSAT tới Hub được thực hiện trên kênh tuyến vào (inbound) Các chế độ thông tin trên các kênh tuyến ra được phân phối đồng thời từ Hub tới các VSAT Trong khi các kênh tuyến vào yêu cầu được phúc đáp riêng lẻ được thiêt lập từ mỗi một trạm VSAT từ xa tới Hub

10

Hình1.5 Ứng dụng kết hợp mạng VSAT và WLL

Phần lớn các đặc điểm áp dụng cho thông tin hai chiều (các VSAT thu/phát) Tuy nhiên cũng có thể áp dụng được trong ứng dụng của mạng thông tin VSAT một chiều.

1.4.2 Kỹ thuật trải phổ trong mạng VSAT:

Do VSAT là mạng thương mại tư nhân, các anten trạm mặt đất có kích thước nhỏ nên phải dùng kỹ thuật đa truy cập và điều chế trải phổ Bởi đây là phương pháp duy nhất có thể hạn chế đến mức tối thiểu ảnh hưởng can nhiễu từ hệ thống

RF khác (do đây là loại anten nhỏ mà chịu một tải lớn trên băng tần) Trong kỹ thuật trải phổ độ rộng của băng tần tín hiệu được tăng lên, thường thì thông qua mã hoá thông tin với một chuổi tín hiệu giả ngẫu nhiên Với công suất cho trước, nó làm giảm đi đáng kể mật độ công suất Ở đầu thu, tín hiệu ban đầu được khôi phục lại bằng cách tương quan các bit với chuổi gốc

Đối với mạng thông tin VSAT hai chiều sử dụng phương pháp đa truy cập trải phổ (thường sử dụng đa tuy cập phân chia theo mã: CDMA) dùng trong các kênh phát tuyến vào

Mặc dù các hệ thống VSAT sử dụng kỹ thuật trải phổ có khả năng thích ứng tốt với băng tần 6/4Ghz nhạy với nhiễu Nhưng ưu điểm này tỏ ra không quan trọng khi các bộ phát đáp vệ tinh VSAT sử dụng băng tần 14/10-12Ghz

1.4.2.1 Các VSAT sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số FDMA:

Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) là phương pháp đa truy cập phổ biến nhất dùng để thiêt lập các đường truyền vệ tinh điểm đối điểm Khi các sóng mang được đưa vào sử dụng thì các mạng điểm đối đa điểm được thiêt lập Nếu các đặc tính của vệ tinh đặc biệt là thông số EIRP cho phép sử dụng các trạm mặt đất thu-phát cỡ nhỏ trong việc triển khai các đường truyền và các mạng như vậy, thì có thể gọi chúng là các mạng, các trạm mặt đất VSAT-FDMA Chú ý, nếu có yêu cầu thì cần phải đảm bảo các đường thông tin trực tiếp liên kết giữa tất cả các trạm mặt đất và không cần đến một trạm trung tâm, ngoại trừ trường hợp mạng cần đến giám sát và điều khiển (C&M)

11

1.4.2.2 Các VSAT sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

TDMA là phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian, TDMA thường

đi kèm với ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), là phương pháp đa truy cập hoàn toàn bằng kỹ thuật số rất hiệu quả cho việc thiêt lập các mạng có cấu hình điểm đối điểm, điểm đối đa điểm và cấu hình mạng lưới (Mesh)

Tuy nhiên, TDMA ở dạng TDMA băng thông hẹp có thể là sự lựa chọn thích hợp nhất đối với các mạng thông tin có dung lượng vừa (dưới 40Mbit/s) Nếu các đặc tính của vệ tinh đặc biệt là thông số EIRP cho phép sử dụng các trạm mặt đất thu-phát cỡ nhỏ trong việc triển khai các đường truyền và các mạng như vậy, thì có thể gọi chúng là các mạng VSAT-TDMA Chú ý rằng cần phải có một trạm trung tâm ít nhất là để cung cấp các tín hiệu đồng bộ chuẩn Nhưng cũng cần chú ý rằng các kênh thông tin trực tiếp cũng có thể được thiết lập giữa tất cả các trạm mặt đất

1.4.2.3 Các VSAT sử dụng kỹ thuật TDM/TDMA:

Phần lớn các mạng VSAT hiện nay sử dụng kết hợp cả hai kỹ thuật TDM và TDMA, và hoạt động trong cấu trúc hình sao Chi tiết của các hệ thống và mạng VSAT sử dụng TDM/TDMA chi tiết như sau:

 Các chế độ ghép kênh và truy cập của hệ thống VSAT TDM/TDMA:

Trong các VSAT sử dụng kỹ thuật TDM/TDMA, một tuyến ra liên tục không sử dụng TDMA được tải bởi một sóng mang TDM (256 hoặc 512Kbit/s) phát đi từ một Hub, trong khi các kênh tuyến vào xuất phát từ sóng mang ra này được phát đi bởi các sóng mang TDMA có tốc độ bit thấp hơn (băng hẹp 64 hoặc 128Kbit) mỗi sóng mang tuyến vào sẽ chiếm một khoảng thời gian được phân chia giữa một số trạm VSAT (có thể lên tới 31 khe thời gian) Trong trường hợp nhiều trạm VSAT hơn thì các sóng mang TDMA ghép kênh sẽ được sử dụng Cũng tương

tự như các kênh sóng mang tuyến ra TDM, nó cũng dựa trên kỹ thuật FDMA Hệ thống TDM/TDMA hình sao này và sự chiếm dụng của các bộ phát đáp vệ tinh như hình

12