BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VỆ TINH Tìm hiểu VSAT IP và Ứng dụng

BÀI TẬP LỚN THÔNG TIN VỆ TINH Tìm hiểu VSAT IP và Ứng dụng Ngành thông tin vệ tinh đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài từ sự khởi đầu đơn giản cho đến những hệ thống phức tạp,đồng thời nó cũng đang dần được hoàn thiện và không ngừng phát triển trong tương lai. Cùng với việc hạ giá thành và kích thước, số lượng trạm vệ tinh mặt đất tăng lên không ngừng. Các trạm vệ tinh cỡ nhỏ ,với kích thước anten từ 0.6m đến 2.4m đã trở nên quen thuộc với tên gọi VSAT.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ N I ỘI

Viện Điện Tử-Viễn thông

THÔNG TIN V TINH Ệ TINH

ĐỀ TÀI: Tìm hi u ểu VSAT IP và ng d ng Ứng dụng ụng

Mục lục

1.Giới thiệu hệ thống VSAT IP 3

1.1.Nguyên lý hoạt động 3

1.2 Đánh giá ưu nhược điểm của công nghệ VSAT IP 4

2 Các thành phần chính của mạng VSAT IP 5

2.1.Trạm cổng Gateway 5

2.1.1.Sơ đồ cấu trúc 5

2.1.2.Các thành phần chính 5

2.1.3.Hoạt động của trạm Gateway 7

2.2.Vệ tinh IPSATAR 7

2.2.1.Thông tin chung 7

2.2.2.Đặc tính kĩ thuật 9

2.2.3.Vùng phủ sóng 9

2.3.Thiết bị phía thuê bao (UT) 11

3.Các ứng dụng của VSAT IP 12

3.1.Dịch vụ thoại 12

3.2.Dịch vụ truy cập Internet băng rộng 13

3.2.1.Truy cập băng rộng 13

3.2.2 Truy cập băng rộng cho các điểm công cộng 14

3.3.Dịch vụ IPSTAR GRE VPN 15

3.4.Dịch vụ trung kế di động ( GSM Trunking) 17

3.5.Dịch vụ truyền hình hội nghị (Video conference) 18

3.6.Dịch vụ đào tạo từ xa (I-learn) 19

3.7 Dịch vụ IP2TV 20

4.Kết luận 21

Tài liệu tham khảo 22

1.Giới thiệu hệ thống VSAT IP

Ngành thông tin vệ tinh đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài từ sự khởi đầu đơn giản cho đến những hệ thống phức tạp,đồng thời nó cũng đang dần được hoàn thiện và không ngừng phát triển trong tương lai Cùng với việc hạ giá thành và kích thước, số lượng trạm vệ tinh mặt đất tăng lên không ngừng Các trạm vệ tinh cỡ nhỏ ,với kích thước an-ten từ 0.6m đến 2.4m đã trở nên quen thuộc với tên gọi VSAT

Hệ thống VSAT (Verry Small Apecture Terminal) là một hệ thống thông tin vệ tinh với các trạm đầu cuối có khẩu độ nhỏ, cung cấp các đường truyền số liệu và điện thoại số qua vệ tinh chỉ cần sử dụng các ăng ten có đường kính tương đối nhỏ,được phát triển từ những năm 1980 bởi Công ty Telcom General của Mỹ VSAT là một trong những bước trung gian của xu hướng chung trong quá trình giảm kích thước trạm mặt đất kể từ khi vệ tinh đầu tiên được phóng vàogiữa những năm 1960

Dịch vụ VSAT- IP là dịch vụ VSAT sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh băng rộng iPStar để cung cấp các dịch vụ viễn thông trên nền giao thức IP (Internet Protocol) Hệ thống VSAT-IP liên lạc qua vệ tinh IPSTAR( Thaicom 4) là vệ tinh băng rộng đầu tiên trong khu vực châu Á –Thái Bình Dương do tập đoàn Shin Satellite Plc của Thái Lan vận hành và khai thác

1.1.Nguyên lý hoạt động

Như đã đề cập ở trên,VSAT là một mạng băng rộng thế hệ mới sử dụng hệ thống vệ tinh iPSTAR, cung cấp đa dịch vụ từ một thiết bị đầu cuối trên nền IP tốc độ cao Nó gồm ba thành phần cơ bản là : Trạm cổng (Gateway) có chức năng truy nhập vào mạng công cộng ,vệ tinh iPSTAR và các trạm vệ tinh thuê bao (User Terminal – UT)

Trạm cổng Gateway của VSAT được kết nối với đường trục Internet (backbone), nguồn viễn thông quốc gia qua một tuyến truyền dẫn chuyên dụng SDH, hoặc qua cáp quang như thông thường (Trạm cổng khi đó sẽ khai thác tài nguyên từ mạng Internet và viễn thông quốc gia để cung cấp cho mạng VSAT nội bộ) Từ đó, tài nguyên được truyền tải theo dạng sóng vô tuyến lên tới các vệ tinh IP STAR, rồi qua các búp sóng nhỏ từ IP STAR chụp xuống đưa dữ liệu theo dạng sóng đến các UT (User Terminal - Trạm vệ tinh thuê bao) Quá trình đưa dữ liệu từ thuê bao máy trạm đến mạng Internet, viễn thông quốc tế cũng đi theo con đường tương tự ngược lại

Hình 1 :Mô hình hoạt động của VSAT IP

1.2 Đánh giá ưu nhược điểm của công nghệ VSAT IP

-Ưu điểm : Công nghệ VSAT IP phù hợp với vùng sâu, vùng xa nơi mà các công nghệ khác khó triển khai vì các lý do về địa hình, khoảng cách VSAT có thể phủ sóng Internet và viễn thông quốc gia đến các vùng miền xa xôi ,địa hình hiểm trở mà đường kết nối hay cáp quang không thể kéo tới ( hoặc nếu có thể kéo tới thì với chi phí rất lớn).Tốc độ đường truyền cao đáp ứng các ứng dụng như Internet băng rộng tốc độ cao, mạng thuê riêng ảo VPN-IP, thuê kênh riêng IP, truyền hình hội thảo

Theo thông tin từ phòng kinh doanh của VTI, mức phí thuê bao của VSAT hiện nay chỉ nhỉnh hơn các dịch vụ được cung cấp theo kiểu truyền thống khoảng 30%, không phải là quá cao khi so sánh với rất nhiều phí lắp đặt và thiết bị của các dịch vụ cũ “Như vậy tương lai củaVSAT ko chỉ hướng đến các kết nối công ích, mà là cung cấp dịch vụ cho khách hàng vùng sâu,

xa và khó khăn về địa hình” , ông Hồ Công Lâm, Phó Giám đốc công ty VTI khẳng định

Thuê bao ở bất kỳ vị trí, địa hình nào trong phạm vi lãnh thổ Việt Nam đều có thể sử dụng các dịch vụ VSAT băng rộng (thoại, truy nhập Internet băng rộng, mạng riêng ảo VPN, )với chất lượng như nhau Với lợi thế này thì mạng VSAT băng rộng sẽ là một giải pháp tốt nhất bổ sung cho các mạng mặt đất để cung cấp dịch vụ cho các thuê bao trên khắp cả nước.Thiết bị lắp đặt đơn giản và rất gọn nhẹ, thời gian cung cấp dịch vụ nhanh chóng,độ tin cậy cao Công nghệ VSAT IP áp dụng công nghệ phủ sóng nhiều búp hẹp (spot beams) để tái

sử dụng tần sổ ,mở rộng phổ tần làm việc rộng hơn rất nhiều so với các vệ tinh thông

thường, tăng công suất cho từng spot beam ( mức EIRP có thể đạt tới 60 dBW) ,cho phép giảm kích thước anten trạm đầu cuối ,tăng tốc độ và chất lượng đường truyền Vệ tinh IPSTAR-1 còn sử dụng kĩ thuật điều khiển công suất linh hoạt (DLA –Dynamic Link Allocation) cho từng beam phù hợp điều kiện thời tiết khác nhau ở từng vùng,đảm bảo không làm gián đoạn liên lạc ngay cả ở điều kiện thời tiết xấu nhất chưa từng áp dụng ở những vệ tinh thôngthường.

-Nhược điểm : Vệ tinh VSAT IP chịu ảnh hưởng của thời tiết ,thông tin có thể gián đoạn với lượng mưa lớn hơn 100 mm/h Ngoài ra toàn bộ thiết bị của VSAT được sử dụng cho các công nghệ chuyên biệt nên các thiết bị mặt đất sẽ phụ thuộc vào nhà cung ứng dịch vụ VSAT

2 Các thành phần chính của mạng VSAT IP.

Hình 2 : Sơ đồ trạm cổng Gateway

2.1.2.Các thành phần chính

-Antenna : đường kính 8,1 m cho cả trạm chính và trạm dự phòng

-TCP Accelerator (TCPA): Tối ưu hóa tốc độ truyền TCP qua vệ tinh (giảm thời gian trễ, suy giảm chất lượng của giao thức TCP/IP qua vệ tinh) được thực hiện nhờ một phần mềm Flash Networks NettGain 2000 có chức năng tiếp nhận các gói tin TCP/IP rồi chuyển chúng sang giao thức BST (Boosted Session Transport) để truyền qua vệ tinh, trong khi các gói tin UDP (User Datagram Protocol) cho các ứng dụng như video streaming được giữ nguyên khi

truyền ở phía UT có phần mềm Client để chuyển dịch dữ liệu nhận được thành các gói tin TCP/IP, UDP/IP Thủ tục này được làm tương tự cho hướng ngược lại.

- Network Management (NM) : thực hiện các chức năng về quản trị mạng chung như : Quản lý lỗi, phát hiện và đưa ra các cảnh báo mỗi khi có sự cố về phần cứng hay phần mềm ; Quản lý cấu hình, cập nhật theo dõi các thay đổi về cấu hình hoạt động của các thiết bị ; Quản lý truy nhập mạng, cấp tên, passwords và quyền truy nhập cho từng người sử dụng ; Quản lý hệ thống tính cước…

- Radio Resource Management (RRM): Đây là phần tử đặc biệt quan trọng của trạm cổng, có chức năng quản lý các nguồn tài nguyên đường truyền vệ tinh, phân bổ hay giải phóng dung lượng cho các UT mỗi khi các trạm log-on hay log-off khỏi mạng và điều khiển các chức năng thực hiện trên TI, SI

- Forward Link Processor (FLP): bao gồm phần mềm chạy trên máy chủ, thực hiện các chức năng TCPA, lọc và xắp sếp các gói tin IP đúng thứ tự ưu tiên theo chất lượng dịch vụ (QoS) và phân loại dịch vụ (CoS) trước khi gửi tới TOLL Interface (TI) Ngoài ra FLP còn có chức năng giám sát hoạt động, lỗi, tương tác với thiết bị quản lý tài nguyên (RRM) phân bổ tài nguyên đường truyền cho các UT Bản tin cước từ TI và SI được hợp nhất tại đây rồi chuyển tới NMS và máy chủ tính cước

- Toll Interface (TI): gồm có thiết bị phần cứng và phần mềm giao tiếp với thiết bị phát TOLL (TOLL Tx) TI nhận các gói tin gửi từ FLP, sau đó sắp xếp và đóng gói, dưới sự điều khiển của RRM, theo định dạng khung của TOLL (TOLL Format) trước khi gửi tới TOLL-Tx (TOLL Transmitter) Mỗi TI làm việc với 1 TOLL-Tx

- TOLL-Tx (Toll Transmiter): nhận luồng bit đã được định dạng từ TI, mã hoá TPC, điều chế, ghép kênh OFDM và chuyển đổi tới tần số trung tâm 135MHz, sau đó chuyển đổi lên L-band (950-1450Mhz) và Ka-band để phát lên vệ tinh Mỗi trạm Gateway có tối đa tới 12 khối TOLL-Tx làm việc và 2 khối dự phòng Mỗi khối TOLL-Tx có thể cho phép tới 20.000 Terminal kết nối đồng thời, và có dung lượng truyền dẫn lên tới 186Mbps

STARRx (STAR Receiver) : nhận tín hiệu băng Ka từ vệ tinh, chuyển đổi tới dải tần 950

-1450 MHz sau đó thực hiện tách kênh, giải điều chế, và giải mã tín hiệu Mỗi khối STAR-Rx có dung lượng truyền dẫn tới 8Mbps

- STAR Interface (SI): Nhận các gói tin từ STAR-Rx, sau đó xử lý và sắp xếp thành các gói tin IP rồi gửi tới IPR theo sự điểu khiển của RRM Ngoài ra SI còn có các chức năng khác như

là xử lý các bản tin báo hiệu giữa trạm cổng và trạm đầu cuối, giám sát sự hoạt động của kênh để kịp thời báo cáo cho RRM để đưa ra sự điều chỉnh phù hợp Mỗi SI làm việc được với 10 STAR-Rx Mỗi Gateway có tối đa tới 10 SI Mỗi SI có thể cho phép tới 20.000 Terminal kết nối đồng thời

- Acounting server/Call Record server: Nhận dữ liệu từ NMS và lưu trữ tại cơ sở dữ liệu nội bộ để phục vụ cho mục đích tính cước Và tuỳ thuộc vào ứng dụng cung cấp mà trạm Gateway được trang bị thêm, gồm các ứng dụng :

+ Các đường truyền kết nối băng rộng với mạng Internet, trụ sở khách hàng cho các mục đích cung cấp người sử dụng đầu cuối truy cập mạng Internet băng rộng, mạng dùng riêng

+ Content Server, VoD Server : cho ứng dụng cung cấp thông tin, chương trình TV theo yêu cầu

+ CallManager Server: cho ứng dụng thoại, fax

+ Video Conferencing Server: cho truyền hình hội nghị

- Core IP Router (IPR): Thực hiện trên một router riêng biệt có năng lực chuyển mạch vàđịnh tuyến mạch; định tuyến các gói tin IP vào, ra giữa các thiết bị trong mạng iPSTAR và các mạng bên ngoài Router sử dụng giao thức BGP (Border Gateway Protocol) dùng phổ biến trên Internet để trao đổi thông tin định tuyến trong mạng, dựa trên chương trình quản lý định tuyến BRM (Border Route Manager)

2.1.3.Hoạt động của trạm Gateway

Trạm gateway làm việc với băng tần Ku, trạm gateway thực hiện chức chuyển mạch và định tuyến lưu lượng giữa các phần tử mạng, hội tụ các tiêu chuẩn của một mạng IP như HTTP, FTP… cho các ứng dụng dịch vụ băng rộng WEB, FTP và các ứng dụng truyền thông đa phương tiện Các tiêu chuẩn H323, NetMeeting cung cấp ứng dụng dịch vụ VoIP và giải pháp mạng dùng riêng VPN

Hướng truyền dẫn từ Gateway đến UT được gọi là TOLL Link, thông qua thiết bị TOLL trạm gateway có khả năng cung cấp kênh truyền dẫn cho các trạm UT với tốc độ rất lớn MộtTOLL Link dung lượng tương đương dung lượng một bộ phát đáp vệ tinh tùy theo nhu cầu dung lượng, cấu hình trạm gateway có 1 hoặc nhiều chiều TOLL Mỗi một TOLL được phân chia linh hoạt thành nhiều kênh, các kênh có các khe thời gian tối đa là 16 kênh/ TOLL, 256 timeslot/kênh

Hướng truyền từ UT đến gateway được gọi là STAR Link, trạm gateway tiếp nhận dữ liệu

từ các UT thông qua thiết bị D –STAR (Tiếp nhận 2 STAR đồng thời) Có nhiều D-STAR trong một một trạm gateway đồng thời Dung lượng băng tần D- STAR Link chiếm 4Mhz cũng như TOLL Link, STAR Link được phân chia thành nhiều kênh một cách linh hoạt

2.2.Vệ tinh IPSATAR

2.2.1.Thông tin chung

IPSTAR-1 là vệ tinh băng rộng đầu tiên trong khu vực châu Á – Thái Bình Dương do tập đoàn Shin Satellite Plc của Thái Lan vận hành và khai thác Vệ tinh này được chế tạo bởi

Space Systems/Loral có 114 bộ phát đáp với tổng dung lương lên tới 45 Gbps,tuổi thọ hoạt động là 12 năm ,vệ tinh mới phóng vào ngày 11/8/2005 ở vị trí quỹ đạo 1200 Đông.

IPSTAR-1 là vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh dùng quang phổ băng tần Ku cho đường tín hiệu đến người dùng Phổ tần băng Ku cung cấp giải pháp dịch vụ tối ưu trong khu vực Châu

á Thái Bình Dương với đường truyền tốc độ cao phù hợp các ứng dụng khách hàng V-SAT

Hình 3:Vệ tinh IPSTAR

Giao tiếp giữa trạm cổng IPSTAR và trạm đầu cuối trong vùng phủ sóng vệ tinh:

-Hướng tải xuống (Forward link) đến trạm đầu cuối là phương thức TDM overlaying OFDM với công nghệ tối đa hóa độ hiệu dụng phổ tần

-Kênh tải lên (Return link) từ trạm đầu cuối dựa trên công nghệ truy cập đa phương thức Multimode Multiple Access MF-TDMA

Phương pháp truy cập có thể chọn lựa nhờ hệ thống Quản lý mạng tại trạm cổng (NMS) phù hợp với yêu cầu tốc độ bit của ứng dụng và mật độ lưu lượng, bao gồm TDMA-DAMA cho liên lạc thoại và Slotted Aloha cho lướt web và các lưu thông truyền loạt Mỗi phương thức sử dụng mã hoá sửa lỗi tiên tiến cho phép uplink sử dụng các ăngten cỡ nhỏ và thiết bị khuếch đại công suất cho tốc độ chuyển dữ liệu cao IPSTAR là vệ tinh thế hệ mới với tính năng và dung lượng chưa từng có không cần có trọng tải tự tái sinh Nó loại bớt thiết bị xử lý tiêu thốn năng lượng, nặng nề và độ tin cậy không cao như ở các vệ tinh thế hệ trước, cho phép độ tin cậy và ổn định như các vệ tinh viễn thông truyền thống và vượt trội hơn bất kỳ

vệ tinh băng rộng nào hiện dùng bộ xử lý on-board

Khả năng phân luồng, chuyển luồng, tính năng thông minh được điều khiển tập trung từ mặt đất, tại trạm cổng với các trung tâm điều khiển mạng, cho phép nâng cấp sau này các thiết bị điện tử và phần mềm sẵn có Nền mạng IPSTAR có thể phân bổ dung lượng tự

động (Công nghệ Quản lý băng thông và Công suất linh động - Dynamic Power

Management and Dynamic Bandwidth Management) tùy thuộc vào yêu cầu thực tế để duy trì liên lạc tại mức Chất lượng dịch vụ (QoS) cao nhất có thể Sự phân bổ này được kiểm soát và điều khiển linh động thông qua Trung tâm điều khiển Trọng tải vệ tinh-SatellitePayload Operation Centers (SPOC) với chất lượng đường truyền thông tin được xử lý trực tuyến nhờ Hệ thống Trung tâm Quản lý điều hành mạng và Trạm cổng - Gateway and

Network

2.2.2.Đặc tính kĩ thuật

-Điều khiển công suất linh hoạt: Công nghệ mới này sử dụng tối ưu năng lượng công suất giữa các búp sóng và cho phép dự trữ công suất 20% cho các búp sóng có khả năng bịảnh hưởng bởi trời mưa nên vẫn duy trì đường truyền Với phủ sóng vệ tinh trên vùng địa lý rộng, chắc chắn là mưa sẽ không liên tục trên toàn khu vực Vì thế, việc điều khiển công suất linh hoạt cho các búp sóng cần thiết là phương pháp hiệu quả để tăng cao khả năng hoạt động và độ tin cậy của đường truyền của toàn hệ thống IPSTAR

- Điều chế và mã hoá tương hợp (ACM): Do kết nối vệ tinh luôn có băng thông trên lý thuyết thấp hơn kết nối cáp quang nên cần có công nghệ quản lý băng thông hiệu quả để duytrì tính cạnh tranh của hệ thống vệ tinh băng rộng Trung tâm quản lý mạng được dùng để phân bổ dung lượng băng thông cho mỗi đường truyền tùy theo đặc điểm truyền dẫn hiện tại, khi tắc nghẽn hệ thống, theo điều kiện đường truyền và yêu cầu của khách hàng Công nghệ này điều chỉnh băng thông linh động (điều chế và mã hoá) phù hợp với những thay đổi

về điều kiện thời tiết nên duy trì khả năng thự hiện của đường truyền Công nghệ điều chế

và mã hoá tương hợp (ACM) hiện dùng trên mặt đất nên có thể nâng cấp trong tương lai nếu

có yêu cầu

- Công nghệ điều chế và mã hoá mới: Các công nghệ điều chế và mã hoá của IPSTAR cho

sử dụng hiệu quả băng tần radio cho tốc độ truyền dữ liệu số cao và linh hoạt Hệ thống này cho phép sử dụng những ăngten cỡ nhỏ và thiết bị phát sóng thích hợp sử dụng trong nhà vàtrong doanh nghiệp và có thể duy trì tới 99.6% khả năng thực hiện của đường truyền Điều chế và mã hoá (các chỉ tiêu của đường truyền) có thể điều chỉnh linh động nên cho dung lượng băng thông linh hoạt giúp tối ưu hoá cân đối giữa tốc độ bit và những thay đổi đột ngột về điều kiện thời tiết (ví dụ như có mưa)

2.2.3.Vùng phủ sóng

Vệ tinh IPSTAR sử dụng công nghệ phủ sóng nhiều búp hẹp (spot beams) để tăng khả năng tái sử dụng tần số, cho phép mở rộng phổ tần làm việc lớn hơn rất nhiều so với các vệ tinh thông thường, đồng thời nâng cao được công suất cho từng spot beam (mức EIRP có thểđạt tới 60dBW) cho phép giảm kích thước anten trạm đầu cuối và tăng tốc độ chất lượng đường truyền Ngoài ra, vệ tinh IPSTAR còn sử dụng kỹ thuật điều khiển công suất linh hoạt (DLA - Dynamic Link Allocation) cho từng beam phù hợp với các điều kiện thời tiết khác nhau

ở từng vùng, đảm bảo không làm gián đoạn liên lạc ngay cả ở điều kiện thời tiết xấu nhất, đây cũng là kỹ thuật không được áp dụng ở những vệ tinh thông thường

Hình 4 :Vùng phủ sóng của vệ tinh IPSTAR-1.

Vệ tinh IPSTAR có 4 búp phủ hẹp bao phủ toàn bộ lãnh thổ Việt Nam và 1 búp phủ quảng bá, hoạt động ở băng tần Ka và Ku với dung lượng thiết kế khoảng 2 Gbps (cho cả 2 chiều lên, xuống) Dung lượng cụ thể được phân bổ như sau:

Hình 5 :Vùng phủ sóng vệ tinh IPSTAR tại Việt Nam

2.3.Thiết bị phía thuê bao (UT)

Các trạm UT bao gồm khối ODU và IDU :

-Khối ODU (Out Door Unit) bao gồm anten và các thiết bị cao tần như BUC,LNB BUC (Block UpConverter) là khối đảo tần lên,thường dùng loại công suất 1 W hoặc 2 W ,tần số

phát từ 13.75 đến 14.5 Ghz LNB (Low Noise Block) là khối khuếch đại tạp âm thấp ,tần số thu từ 10.7 đến 12.75 GHz.

-Khối IDU (In Door Unit) –Modem :

+Tốc độ download tối đa : 4Mbps

+Tốc độ upload tối đa :2 Mpbs

+Sử dụng công suất phát và băng thông linh hoạt cho phép phân bổ băng thông

hợp lý dựa trên đặc điểm lưu lượng từng khách hàng

+Sử dụng kĩ thuật điều chế QPSK ,phương thức truy nhập SCPC,TDMA, Slotted

ALOHA

+Giao diện mạng RJ45, USB

+Nguồn điện cung cấp 100-240 VAC và 24 DC

+Công suất tiêu thụ :70W

Hình 6 :Cấu hình trạm thuê baoThiết bị ODU và IDU được kết nối bằng cáp RG6 hoặc RG11, khoảng cách dùng cáp RG6 cho phép nhỏ hơn 35m, sử dụng cáp RG11 khoảng cách cho phép đạt tới 100m Tần số IF thu

từ LNB đến Modem từ 1550 đến 2050MHz hoặc từ 1650 đến 2150 MHz, tần số IF phát từ Modem đến ODU từ 950 đến 1450 MHz.Các trạm thuê bao cung cấp các dịch vụ tích hợp theu yêu cầu cụ thể của khách hàng