TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT

TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT Nhằm nghiên cứu yếu tố tác động đến tín hiệu và đường truyền qua vệ tinh VINASAT trên cơ sở các đặc điểm riêng của Việt Nam, từ đó đề xuất những biện pháp kỹ thuật có thể nhằm tối ưu đường truyền, phòng tránh và xử lý các can nhiễu đang phải đối mặt

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-Trần Xuân Dân

TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN

VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2013

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Đức Nhân

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

MỞ ĐẦU

Sau 5 năm hoạt động, lượng sóng mang hoạt động trên vệ tinh VINASAT đã không ngừng tăng lên kéo theo nhiều vấn đề như: can nhiễu, công suất tiêu thụ của các bộ phát đáp, chất lượng tín hiệu qua đường truyền vệ tinh suy giảm theo lượng khách hàng… Đi đôi với việc tính toán hỗ trợ khách hàng đăng nhập vệ tinh, thì việc thiết kế, tối ưu đường truyền

và cấp phát băng thông phù hợp với từng đối tượng khách hàng là những giải pháp trước mắt và dài hơi để đối phó với những vấn đề đang tồn tại Nhằm nghiên cứu yếu tố tác động đến tín hiệu và đường truyền qua vệ tinh VINASAT trên cơ sở các đặc điểm riêng của Việt Nam, từ đó đề xuất những biện pháp kỹ thuật có thể nhằm tối ưu đường truyền, phòng tránh

và xử lý các can nhiễu đang phải đối mặt, tôi đã quyết định chọn đề tài “TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT“

Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG VỆ TINH VINASAT

Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, các vệ tinh VINASAT và các thông số kỹ thuật chung

1.1 Vệ tinh nhân tạo

1.1.1 Lược sử các vệ tinh nhân tạo

Vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái Đất là Sputnik 1, do Liên xô (cũ) phóng vào ngày 04-10-1957 Việc phóng vệ tinh này đã châm ngòi cho cuộc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên

xô (cũ) và Hoa kỳ

1.1.2 Các nước có khả năng phóng vệ tinh

1.1.3 Đưa vệ tinh lên quĩ đạo địa tĩnh

Có nhiều phương pháp đưa vệ tinh viễn thông lên quĩ đạo địa tĩnh bằng tên lửa đẩy, nhưng chủ yếu thuộc ba dạng sau:

Phương pháp Walter Hohmann là cách đưa vệ tinh từ quĩ đạo tròn có độ cao thấp hơn lên quĩ đạo tròn có độ cao lớn hơn

Phương pháp phóng chuyển tiếp: tên lửa đưa vệ tinh lên tới quĩ đạo chuyển tiếp địa tĩnh GTO (Geostationary Transfer Orbit) thông qua quỹ đạo tròn thấp LEO có độ cao 200km

Phương pháp phóng liên tiếp: tên lửa phóng đưa vệ tinh lên thẳng tới quĩ đạo địa tĩnh của Trái Đất GSO

1.2 Vệ tinh Vinasat

Hiện nay VNPT đang quản lý và khai thác 2 vệ tinh VINASAT-1 và VINASAT-2

Bảng 1.3 So sánh một số thông số của VINASAT-1 và VINASAT-2 Chỉ tiêu kỹ thuật VINASAT-1 VINASAT-2

Vùng phủ sóng Băng Ku: Việt Nam, Lào,

Campuchia, Thái Lan và một phần Myanmar

Băng C: Việt Nam, Lào, Campuchia, Đông Nam Á, đông Trung Quốc, Triều Tiên, Ấn Độ, Nhật Bản và Australia

Chỉ có băng Ku: Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan, Singapore, Myanmar và một phần Malaysia

Dung lượng thiết kế 20 bộ phát đáp (08 bộ

băng tần C mở rộng, 12

bộ băng tần Ku) với băng thông 36Mhz/1 bộ, 08 bộ phát đáp dự phòng (04 bộ băng Ku, 04 bộ băng C

mở rộng)

Gồm các bộ phát đáp băng tần Ku (24 bộ khai thác thương mại và 6 bộ dự phòng)

Phân bổ tần số Tần số phát Tx hoạt động

trong dải từ 13,750 – 13,990 GHz và 14,255 – 14,495 GHz

Tần số thu Rx hoạt động trong dải từ 10,950 – 11,200 GHz và 11,450 – 11,700 GHz

Tần số phát Tx hoạt động trong dải từ 12,750 – 13,250 / 13,750 – 14,500 GHz

Tần số thu Rx hoạt động trong dải từ 10,70-11,70 GHz

Thu:H (ngang)

Phát:H Thu:V

1.2.1 VINASAT-1

1.2.2 VINASAT-2

1.2.3 Khai thác vệ tinh VINASAT

Các vệ tinh VINASAT sau khi ổn định trên quỹ đạo sẽ được đo kiểm IOT (In Orbit Test) nhằm mục đích kiểm tra các thông số phát đáp, độ ổn định của các thiết bị, các phân hệ…, và khả năng đáp ứng của nó với các điều kiện làm việc khác nhau Sau đó, các bộ phát đáp được thiết lập những thông số vận hành cơ bản trước khi chính thức khai thác Các thông số trên đều được phân tích kỹ lưỡng, ghi lại nhằm so sánh và hiệu chỉnh sau một thời gian sử dụng Trong quá trình khai thác, tùy vào mục đích sử dụng, loại hình dịch vụ mà Đài điều hành và khai thác vệ tinh (NOC) sẽ lựa chọn và thay đổi các thông số trên từng bộ phát đáp cho phù hợp Việc thay đổi này hết sức quan trọng và phải được tính toán kỹ lưỡng để vừa tối ưu chất lượng đường truyền nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về công suất vệ tinh

Chương 2: CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG

Tổn hao do hấp thụ tầng khí quyển thay đổi theo tần số, đạt cực đại ở tần số 22.3 GHz, và 60 GHz Tuy nhiên, tại các tần số đỉnh này, sự hấp thụ cũng khá thấp

Nhấp nháy khí quyển là một dạng pha đing, chu kỳ pha đing này khoảng vài chục giây Nguyên nhân do sự khác nhau của chỉ số khúc xạ tầng khí quyển, theo đó tùy thuộc vào tính hội tụ hay phân kỳ của sóng điện từ mà nó đi theo các hướng khác nhau qua tầng khí quyển

Trong tính toán đường truyền, chúng ta cũng phải dự phòng một phần công suất nào

đó để bù lại sự tồn tại của nhấp nháy khí quyển

Bảng 2.1 Các loại tổn hao liên quan đến thông tin vệ tinh Loại suy giảm Căn nguyên vật lý Chủ thể bị tác động

Suy hao và tạp âm bầu

trời tăng

Quyển khí, mây, mưa Tần số trên 10 GHz

Mất phân cực Các tinh thể băng tuyết,

mưa

Các hệ thống phân cực kép (C và Ku), tùy thuộc vào cấu hình hệ thống

Khúc xạ, đa đường

trong khí quyển

Quyển khí Truyền sóng và bám vệ

tinh ở góc ngẩng thấp

Sự nhấp nháy tín hiệu Dao động của hệ số khúc

xạ giữa tầng đối lưu và điện ly

Trên 10 GHz tại tầng đối lưu với góc ngẩng thấp Dưới 10 GHz tại tầng điện

ly Pha đing đa đường do

vật cản

Bề mặt trái đất và các vật thể trên bề mặt

Nhiễu liên hệ thống Ống dẫn, phân tán, nhiễu

xạ

Hiện nay chủ yếu là băng tần C, Phân tán mưa có thể tác động ở tần số cao hơn

2.1.2 Ảnh hưởng của tầng điện ly

Trong tầng điện ly, chỉ có quay phân cực và nhấp nháy là ảnh hưởng chính đến thông tin vệ tinh

Nhấp nháy điện ly là sự thay đổi của biên độ, pha, phân cực và góc tới của sóng điện

từ Do vậy khi tính toán, cần thiết phải dự phòng một phần công suất cho nhấp nháy tầng điện ly

2.1.3 Suy hao do mưa

Suy hao do mưa phụ thuộc vào tỷ lệ mưa Giá trị cần quan tâm là phần trăm thời gian

mà tỷ lệ đó bị vượt quá Phần trăm thời gian thông thường tính trên một năm Ví dụ, tỷ lệ mưa tại 0.001% nghĩa là tỷ lệ mưa mà tại đó lượng thời gian mà tỷ lệ đó bị vượt quá là 0.001 của một năm, hoặc 5.3 phút trong suốt mỗi năm, trong trường hợp này tỷ lệ mưa được viết là R0.001 (nghĩa là tỷ lệ mưa tại phần trăm thời gian là 0.001%)

2.2 Nhiễu trong thông tin vệ tinh.

Với rất nhiều dịch vụ viễn thông sử dụng sóng điện từ, nhiễu có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau Các trạm mặt đất vệ tinh và các trạm thu phát sóng điện từ phi vệ tinh làm việc trong các hệ thống tách biệt có thể gây các loại nhiễu cho nhau như sau:

A1: Trạm phi vệ tinh phát sóng, gây nhiễu đến phần thu của trạm mặt đất A2 là ngược lại

B1: Vệ tinh phát sóng và ảnh hưởng đến phần thu của trạm mặt đất trong một hệ thống vệ tinh khác

B2: Trạm mặt đất phát sóng và ảnh hưởng đến phần thu của vệ tinh trong một hệ thống vệ tinh khác

C1: Vệ tinh phát sóng về trái đất và gây nhiễu lên phần thu của hệ thống mặt đất phi

vệ tinh C2 là ngược lại

E: Vệ tinh phát sóng gây ảnh hưởng đến phần thu của vệ tinh khác

F: Trạm mặt đất phát sóng gây ảnh hưởng đến trạm mặt đất khác

Hình 2.5 Các kiểu nhiễu có thể giữa các mạng

ITU quy định công suất phát tối đa (chính xác hơn là mật độ phổ năng lượng tối đa)

để cố gắng giảm thiểu khả năng gây nhiễu, tuy nhiên, nhiễu vẫn có thể có, và cần sự phối hợp giữa các nhà khai thác

Với hệ thống vệ tinh địa tĩnh, kiểu nhiễu B1 và B2 làm cho số lượng quỹ đạo vệ tinh giảm Nó cho thấy tầm quan trọng của việc ITU phải giới hạn mật độ phổ năng lượng mà các trạm mặt đất phát lên Phân tán năng lượng là một kỹ thuật được sử dụng để phân bố lại năng lượng phát ra đồng đều hơn trên toàn bộ băng tần sử dụng

2.2.1 Nhiễu vệ tinh lân cận - ASI (trường hợp B1 và B2)

Nhiễu có thể được coi như một dạng tạp âm, hiệu suất sử dụng của sóng mang được đánh giá qua thông số C/I, là tỷ số giữa công suất sóng mang mong muốn trên công suất

nhiễu tác động Một thông số nữa cần phải xét đến là mẫu phát xạ của anten trạm mặt đất Mặt phản xạ càng lớn thì độ rộng búp sóng càng nhỏ

Khoảng cách quỹ đạo của 2 vệ tinh được định nghĩa là α, góc nhìn từ tâm trái đất (góc địa tâm) Tuy nhiên từ trạm mặt đất, góc nhìn 2 vệ tinh là β Đối với hầu hết các trường hợp tính toán liên quan đến nhiễu, ta coi tương đối α = β Nhưng thực tế, việc coi tương đối như thế dẫn đến việc sai số về nhiễu

2.2.1.1 C/I hướng xuống (downlink)

2.2.1.2 C/I hướng lên (uplink)

2.2.1.2 C/I tổng hợp giữa hướng lên và hướng xuống:

2.2.2 Hàm tăng ích của anten

Mẫu bức xạ anten có thể chia làm ba vùng: vùng búp chính, vùng búp phụ và vùng chuyển tiếp Trong tính toán nhiễu, ta không cần quan tâm chi tiết cụ thể về mẫu bức xạ, mà chỉ cần quan tâm đến đường bao của nó

Hàm tăng ích (dB) xác định tại các góc θ0 khác nhau:

[ ( )] =

29 − 25 (1 ≤ ≤ 7)+8 (7 < ≤ 9.2)

2.2.3 Nhiễu dải thông (passband)

Tỷ số sóng mang trên nhiễu (C/I) tại đầu vào máy thu tùy thuộc vào độ rộng băng tần

bị ảnh hưởng trùng khớp bao nhiêu với dải thông kênh mong muốn

Hai khả năng có thể xảy ra, khả năng thứ nhất toàn bộ dải thông mong muốn bị ảnh hưởng bởi nhiễu một nhiễu và khả năng thứ hai nhiều sóng mang gây nhiễu ở trong dải thông mong muốn

2.2.3 Tán xạ năng lượng

Năng lượng của tín hiệu là hằng số và độc lập với chỉ số điều chế Khi không điều chế, tất cả năng lượng ở tần số sóng mang, và khi đã điều chế, cùng một mức năng lượng

như vậy phân bố trên sóng mang và dải bên Sử dụng đặc tính này trong các trường hợp cụ thể để giới hạn mật độ phổ trong giới hạn được khuyến nghị

Phân tán năng lượng làm giảm tất cả các kiểu nhiễu đặc biệt là kiểu A2, giữa trạm mặt đất và trạm phi vệ tinh, và C1 giữa vệ tinh và trạm phi vệ tinh Nó cũng làm giảm tạp

âm xuyên điều chế

2.2.4 Phối hợp giữa các nhà khai thác vệ tinh

Khi một mạng vệ tinh mới chuẩn bị được đưa vào sử dụng, những tính toán phải được thực hiện để chắc chắn rằng các mức nhiễu ở trong giới hạn an toàn Việc tính toán phải dựa vào các thông số điều chế mong muốn trên tần số mong muốn sử dụng và các thông số và tần số của hệ thống gây nhiễu hoặc bị nhiễu Việc tính toán tương đối phức tạp,

và đòi hỏi có sự phối hợp

2.3 Thực trạng chất lượng đường truyền qua vệ tinh Vinasat

Là một nhà khai thác vệ tinh non trẻ, VINASAT gặp không ít khó khăn trong công tác quản lý và khai thác băng tần vệ tinh Từ khi chính thức đưa vào khai thác vệ tinh đầu tiên, tháng 6/2008 đến nay, VINASAT đã phải đối mặt với hàng trăm vụ nhiễu lớn nhỏ, bao gồm nhiễu phân cực (XPI), nhiễu vệ tinh lân cận (ASI) đường lên và xuống, nhiễu xuyên điều chế, sóng mang không rõ nguồn phát,… ảnh hưởng rất nhiều đến chất lượng truyền dẫn, và dịch vụ được cung cấp Bên cạnh đó, công tác thiết kế đường truyền, tối ưu phân bổ tần số,… chưa thực sự được trú trọng Tuy nhiên, VINASAT cũng đang từng bước cải thiện quy trình làm việc, bổ sung các nghiên cứu kỹ thuật phù hợp với điều kiện của Việt Nam, giải quyết những tồn đọng và dần đi vào ổn định

Chương 3: TÍNH TOÁN ĐƯỜNG TRUYỀN

Tính toán, thiết kế đường truyền, và xét trong các điều kiện khác nhau, giới thiệu phần mềm tính toán đường truyền

( ) là công suất phát xạ tại góc

là tổng công suất phát xạ bởi anten ( ) là hệ số tăng ích của anten tại góc Với một máy phát có công suất ra là tới một anten có tăng ích là thì mật độ thông lượng ở hướng nhìn của anten tại khoảng cách R là:

=

được gọi là công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (hay EIRP)

Nếu có một anten thu lý tưởng có khẩu độ A (m2), ta sẽ thu được công suất , tính bởi:

Trong thực nghiệm với anten có khẩu độ ta không thể thu được công suất như trên, vì một phần công suất bị phản xạ và một phần công suất bị hấp thụ bởi các thành phần suy hao Phần suy giảm này được phản ánh vào khẩu độ hiệu dụng của anten

Và ɳ là hệ số hiệu suất của khẩu độ anten Với anten parabol, ɳ thông thường nằm trong khoảng 50% đến 75%, anten càng lớn thì hiệu suất càng cao Do đó công suất thu được bởi anten có khẩu độ và khẩu độ hiệu dụng là:

Phương trình trên bản chất độc lập với tần số nếu và là hằng số trong dải tần cho trước Công suất thu được tại trạm mặt đất chỉ phụ thuộc vào EIRP của vệ tinh, diện tích hiệu dụng của anten trạm mặt đất và khoảng cách R

3.1.2.1 Tính toán nhiệt tạp âm hệ thống

Công thức tính nhiệt độ tạp âm tương đương đầu vào của hệ thống:

Nếu tầng khuếch đại đầu tiên có hệ số khuếch đại lớn, thì tạp âm bởi các phần tử khuếch đại IF và các tầng sau có thể bỏ qua và nhiệt độ tạp âm hệ thống đơn giản chỉ là tổng của nhiệt độ tạp âm của anten và của LNA, = +

Nhiệt độ tạp âm tương đương đầu ra được tính bởi:

Trong đó Gl là hệ số khuếch đại (nhỏ hơn 1, vì đây là thiết bị suy hao) và Tp là nhiệt

độ vật lý của thiết bị hay môi trường suy hao

3.1.2.2 G/T của trạm mặt đất:

C/N tỷ lệ với G/T, đơn vị dB/K, vì vậy G/T được dùng để đánh giá chất lượng của hệ thống thu vệ tinh, vì khi tăng G/T ta sẽ tăng được C/N Một số trạm mặt đất có G/T âm, vì khi đó độ tăng ích của anten nhỏ hơn giá trị nhiệt độ tạp âm của hệ thống, giá trị của G/T luôn trong hệ dexibel

3.2 Phân tích và tính toán đường xuống

Công suất thu:

Công suất tạp âm:

3.3 Phân tích và tính toán đường lên

Công suất thu được ở đầu vào bộ phát đáp là:

Trong đó ( + ) là EIRP của trạm phát, là hệ số tăng ích của anten vệ tinh theo hướng trạm phát và là tổn thất đường truyền, là suy hao khác ngoài tổn thất đường truyền Từ đó ta có ( / ) tại đầu vào của máy thu vệ tinh là:

3.4 Tổng hợp C/N và C/I trong tuyến vệ tinh

Khi một tuyến có nhiều tỷ số C/N thì chúng ta tổng hợp chúng lại thành một tỷ số C/N duy nhất, ký hiệu là ( / ) :

Vì tạp âm trong các tỷ số C/N là khác nhau tùy từng điểm, còn công suất sóng mang

C thì giống nhau, nên ta có thể viết lại công thức trên là:

3.5 Suy hao tuyến lên và xuống trong mưa

Ảnh hưởng do mưa cho tuyến lên và xuống là khác nhau Chúng ta thường giả sử rằng có suy hao chỉ cho tuyến lên hoặc tuyến xuống, chứ không đồng thời ở cả hai hướng, vì thông thường trạm phát và trạm thu nằm tách biệt nhau về vị trí địa lý (>20km)

3.5.1 Suy hao hướng lên và (C/N) up

Nhiệt độ tạp âm phần thu của bộ phát đáp không thay đổi nhiều khi có mưa tại hướng lên Nhiệt độ tạp âm của trái đất cho vùng phủ của một vệ tinh địa tĩnh nằm trong khoảng 270K đến 250K Nhiệt độ tạp âm hệ thống tương ứng cho bộ phát đáp vệ tinh địa tĩnh trong khoảng 400K đến 500K

Nếu bộ phát đáp hoạt động ở chế độ tuyến tính, ( / ) sẽ giảm một lượng bằng đúng lượng suy hao do mưa, dB, ta có công thức cho trường hợp này:

3.5.2 Suy hao hướng xuống và (C/N) up

Nhiệt độ tạp âm hệ thống thu trạm mặt đất thay đổi rõ rệt do mưa khi nó tác động ở tuyến xuống Nhiệt độ tạp âm bầu trời có thể tăng sát đến nhiệt độ vật lý của từng giọt mưa, đặc biệt là với trời mưa to Công suất sóng mang thu (C) bị giảm còn công suất tạp âm (N) tăng lên, ta có: