Nghiên cứu các vấn đề truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh

Điều đó hướng sự chú ý của các nhà cung cấp Internet vào công nghệ sử dụng những hệ thống truyền dẫn băng rộng, có khả năng phủ đa điểm và diện rộng như hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩ

MỤC LỤC

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH 8

1.1 Giới thiệu 8

1.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh 10

1.3 Dải tần trong thông tin vệ tinh 11

1.4 Quỹ đạo vệ tinh 13

1.4.1 Quỹ đạo cực tròn (Circular Polar Orbit) 13

1.4.2 Quỹ đạo nghiêng elip (Elliptically Incline orbit) 14

1.4.3 Quỹ đạo xích đạo tròn (Circular Equatorial Orbit) 14

1.5 Các phương thức truy nhập 17

1.5.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 17

1.5.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 17

1.5.3 Phương thức truy nhập theo yêu cầu (DAMA) 18

1.5.4 Đa truy nhập theo mã ( CDMA) 19

1.6 Trạm mặt đất 19

1.6.1 Cấu hình cơ bản 19

1.6.2 Anten trạm mặt đất 21

1.7 Các yếu tố ảnh hưởng năng lượng đường truyền 25

1.7.1 Suy hao tín hiệu trong truyền dẫn 27

1.7.2 Ảnh hưởng của tạp âm 29

1.7.3 Tỷ số lỗi bít BER 32

1.8 Kết luận 33

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ TRUYỀN IP THÔNG THƯỜNG 34 2.1 Tổng quan 34

2.2 Phương pháp đóng gói 38

2.2.1 TCP header 40

2.2.2 IP header 42

2.3 Nguyên tắc hoạt động của TCP/IP 44

2.3.1 Phía phát 44

2.3.2 Phía thu 45

2.4 Giao thức IP 45

2.4.1 Địa chỉ IP 45

2.4.2 Định tuyến IP datagram 47

2.5 Giao thức TCP 52

2.5.1 Kết nối TCP 52

2.5.2 Kỹ thuật cửa sổ trượt 53

2.5.3 Các phương pháp điều khiển truyền 55

2.6 Kết luận 59

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TRUYỀN IP QUA VỆ TIINH ĐỊA TĨNH 60

3.1 Giới thiệu 60

3.1.1 Phát quảng bá 61

3.1.2 Chất lượng dịch vụ 61

3.1.3 Thiết lập nhanh chóng 61

3.2 Kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh 62

3.3 Yếu tố đường truyền vệ tinh ảnh hưởng đến TCP/IP 63

3.3.1 Lỗi bít đường truyền 63

3.3.2 Tác động của trễ đường truyền 64

3.4 Các giải pháp cải tiến đảm bảo truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh 68

3.4.1 Truyền không đối xứng và theo một hướng 70

3.4.2 Mở rộng TCP 73

3.4.3 Kết nối TCP 75

3.4.4 Giao thức ứng dụng 78

3.5 Kết luận 79

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG TRUYỀN IP QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH 81

4.1 Giới thiệu 81

4.1 1 Truy cập Internet một chặng 82

4.1.2 Định tuyến vệ tinh trực tiếp giữa các ISPS 83

4.1.3 Mạng Intranet 84

4.1.4 Phân bố phủ đa điểm 84

4.1.5 Phục hồi sau thảm hoạ 85

4.2 Vệ tinh IP STAR 86

4.2.1 Trạm cổng (Gateway) 88

4.2.2 Trạm Đầu cuối (UT) 92

4.2.3 Đánh giá công nghệ IPSTAR 93

4.3 Mạng VSAT - IP 94

4.3.1 Dịch vụ truy cập Internet băng rộng 96

4.3.2 Dịch vụ MDU (Multi-Dwelling Units) 97

4.3.3 Dịch vụ VoIP 98

4.3.4 Dịch vụ mạng riêng ảo (VPN) 98

4.3.5 Dịch vụ GSM Trunking 99

4.3.6 Dịch vụ truyền hình hội nghị (Video Conferencing) 100

4.3.7 Dịch vụ đào tạo từ xa (i-Learn) 101

4.3.8 Dịch vụ truyền hình theo yêu cầu (VoD) 101

4.4 Vệ tinh VINASAT 102

4.5 Kết luận 102

KẾT LUẬN 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACK Acknowledgement Gói tin xác nhận

BER Bit Error Rate Tốc độ bít lỗi

D/C Down Converter Bộ đổi tần xuống

DLA Dynamic Link Allocation Kiểm tra điều khiển công suất linh hoạt

SATellite

Tổ chức vệ tinh viễn thông Châu Âu

FDM Frequency Division Multiplexed Ghép kênh theo tần số

Access

Đa truy cập theo tần số

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file

FIN Finish Gói tin thông báo kết thúc kết nối

HPA High Power Amplifier Bộ khuyếch đại công suất lớn

IDR Intermediate Data Rate Tốc độ dữ liệu trung bình

Protocol

Giao thức bản tin điều khiển Internet

SATellite

Tổ chức vệ tinh viễn thông quốc tế

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISP Internet Satellite Point Điểm Internet vệ tinh

ITU International Telecommunucation

Union

Hội viễn thông quốc tế

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp

MOD Modulator Bộ điều chế

NAP Network Access Point Điểm truy cập mạng

NM Network Management Quản lý mạng

Network

Mạng thoại công cộng

RTO Retransmission Timeout Khoảng thời gian chờ truyền lại

RTT Round Trip Time Thời gian trễ vòng

RRM Radio Resource Management Thiết bị quản lý tài nguyên

Protocol

Giao thức quản lý mạng đơn giản

TCP Transport Control Protocol Giao thức truyền tải

UDP User Datagram Protocol Giao thức truyền tải đơn vị dữ liệu

người dùng

MỞ ĐẦU

Thông tin vệ tinh đã và đang phát triển nhanh chóng ở Việt Nam cũng như trên toàn thế giới, tạo ra một bước ngoặt trong quá trình phát triển của lĩnh vực truyền thông Thông tin vệ tinh thực hiện việc truyền dẫn tín hiệu trên một khoảng cách lớn mà vẫn tạo được tín hiệu đồng đều, đồng thời có thể thu phát trực tiếp các chương trình quảng bá trên phạm vi rộng lớn ở nhiều loại địa hình phức tạp

TCP/IP là họ giao thức sử dụng trong mạng Internet; có khả năng hội

tụ thoại, dữ liệu để xử lý việc truyền, phân phối thông tin, các cuộc điện thoại, hội nghị truyền hình,…Công nghệ IP và các ứng dụng của nó đã có những bước phát triển đột phá trên phạm vi toàn thế giới Việc sử dụng IP làm cho các quá trình phân phối thông tin và dịch vụ toàn cầu hiệu quả và kinh tế hơn so với mạng chuyển mạch công cộng (PSTN) truyền thống, trong khi vẫn cho phép sử dụng các ứng dụng và dữ liệu trước đây

Sự bùng nổ các dịch vụ dữ liệu quảng bá toàn cầu, ứng dụng phủ diện rộng, phủ đa điểm làm cho lưu lượng IP liên tục tăng nhanh đòi hỏi các đường truyền tốc độ cao, cải thiện chức năng và chất lượng dịch vụ ứng dụng trên nền IP cho những vùng diện tích rộng lớn, những kết nối toàn cầu, tới mọi miền xa xôi, hẻo lánh Điều đó hướng sự chú ý của các nhà cung cấp Internet vào công nghệ sử dụng những hệ thống truyền dẫn băng rộng, có khả năng phủ đa điểm và diện rộng như hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh để truyền dữ liệu trên nền giao thức IP

Các ứng dụng trên nền IP truyền dẫn qua mạng vệ tinh địa tĩnh có nhiều hạn chế do ảnh hưởng bởi trễ kết nối lớn và lỗi bít cao Tuy vậy, có nhiều giải pháp khác nhau đã và đang được nghiên cứu để khắc phục những hạn chế đó và kết quả cho thấy rằng lưu lượng truyền qua vệ tinh đã tăng lên tới 500% và băng thông tiết kiệm tới 30% đến 50%

Chính vì điều đó, tôi đã chọn đề tài: “Nghiên cứu các vấn đề truyền

IP qua vệ tinh địa tĩnh”, từ những nghiên cứu về giao thức TCP/IP với các

phương thức truyền gói tin trong mạng mặt đất cùng với nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh đã đánh giá, đưa ra những mặt hạn chế để từ đó có những giải pháp kỹ thuật cải thiện chất lượng dịch vụ cung cấp qua đường truyền vệ tinh khi sử dụng giao thức IP

Ở Việt Nam nhu cầu dịch vụ ngày càng cao kể cả về mặt dung lượng cũng như chất lượng dịch vụ nên việc phóng và sở hữu, khai thác một vệ tinh riêng đã được quan tâm, đó là dự án vệ tinh VINASAT Để chuẩn bị cho tương lai hiện nay Công ty Viễn thông Quốc tế - VTI cùng Tập đoàn Shin Satellite Plc (SSA) – Thái Lan đã xây dựng một hệ thống cung cấp các dịch vụ thông tin băng rộng qua vệ tinh thế hệ mới IPSTAR (được gọi

là VSAT –IP), hệ thống này có khả năng cung cấp đa dịch vụ trên nền IP băng rộng tốc độ cao và đáp ứng nhu cầu liên lạc đa dạng của khách hàng trên mọi miền đất nước

Nội dung luận văn gồm có :

Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh

Chương 2:Tổng quan các vấn đề truyền IP thông thường

Chương 3: Nghiên cứu truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh

Chương 4: Ứng dụng truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh

Tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc tới thầy – TS Chu Văn Vệ, người đã trực tiếp giúp đỡ, hướng dẫn, cung cấp tài liệu và phương pháp luận nghiên cứu khoa học để tôi hoàn thành bản luận văn này Tôi xin chân thành cảm

ơn các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện tử - Viễn thông – Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội đã dạy dỗ, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập

Chắc rằng trong bản luận văn còn nhiều thiếu sót và tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô cùng các bạn đồng nghiệp

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH

1.1 Giới thiệu

Trên thế giới trong thời kỳ bùng nổ khoa học công nghệ như hiện nay, mỗi quốc gia đều phải tự phát triển mạng viễn thông theo đặc thù và theo phương thức của riêng mình Các loại hình dịch vụ viễn thông ngày càng

đa dạng và phong phú như thoại, số liệu với dải băng tần làm việc lớn đã

ra đời Điều này buộc người ta phải sử dụng nhiều hệ thống và nhiều phương thức truyền dẫn khác nhau

Trong hệ thống truyền dẫn thông tin Viba mặt đất, việc phát triển các dịch vụ mới gặp phải trở ngại là các dải tần làm việc thông dụng đã bị đặc kín Như vậy, để phát triển tuyến mới buộc người ta phải nâng cao dải tần làm việc Việc nâng cao dải tần làm việc cho trạm Viba mặt đất gặp phải một khó khăn bức xúc đó là suy hao do hấp thụ của mưa Hơn nữa, một khó khăn khác cần phải tháo gỡ là việc phát triển hệ thống Viba trên vùng địa hình phức tạp có nhiều vùng lõm, vùng khuất, hay các vùng xa xôi biên giới, hải đảo, sẽ buộc phải tăng một số lượng lớn các trạm phát lại Điều này sẽ làm tăng độ mất tin cậy của hệ thống và làm giảm tính kinh tế khi thiết lập hệ thống

Khi công nghệ truyền dẫn cáp quang ra đời nó đã góp phần giải quyết phần nào thực trạng này Nhưng nó cũng vấp phải một số những khó khăn đáng kể đó là trong xu thế phát triển hiện nay, với địa hình phức tạp và mật

độ dân cư không đồng đều, việc thiết lập một hệ thống cáp quang đôi khi không thể thực hiện được hoặc tốn thời gian và không hiệu quả kinh tế

Rõ ràng các phương thức truyền dẫn ở trên chỉ thỏa mãn một phần nhu cầu phát triển của hệ thống viễn thông ngày nay cũng như trong tương lai

Trước thực trạng đó, từ ý tưởng trong câu truyện khoa học viễn tưởng

“Thế giới không dây” của nhà văn Arthur C.Clarke năm 1945, một phương thức truyền dẫn mới – truyền dẫn vệ tinh – ra đời [11]

Kể từ khi ra đời cho đến nay, thông tin vệ tinh đã có một vai trò to lớn trong công cuộc toàn cầu hóa mạng viễn thông Thông tin vệ tinh rõ ràng

có hiệu quả kinh tế cao, nó cho phép chi phí tuyến thông tin là cố định mà không phụ thuộc vào khoảng cách và số lượng trạm thu Dải tần cho thông tin vệ tinh gần như vô hạn, thông tin vệ tinh cho phép truyền tải cả luồng

số liệu cực kỳ lớn Và nó đã đảm bảo hàng loạt các dịch vụ như thoại cố định, số liệu, thông tin di động, [11], [12]

Cùng với sự phát triển của công nghệ, hệ thống truyền dẫn vệ tinh ngày càng được hoàn thiện Thông tin vệ tinh không những thích hợp với tín hiệu số tích hợp cao mà còn ngày càng được nâng cao độ tin cậy, thời gian làm việc của vệ tinh có thể lên đến 10 15 năm Các bộ phát đáp trên

vệ tinh cũng không ngừng phát triển, hoàn thiện, băng tần các bộ phát đáp ngày càng được mở rộng hơn và mức công suất phát xạ đẳng hướng EIRP của các bộ phát đáp ngày càng được nâng cao hơn [12]

Thông tin vệ tinh không chỉ cho phép thông tin điểm - điểm mà còn cho phép thông tin điểm - đa điểm [2], [3]

Vệ tinh thông tin có mặt ở hầu hết các hệ thống truyền dẫn nhờ tính linh động cao và có khả năng kế thừa cũng như khả năng kết hợp với các

hệ thống viễn thông đang tồn tại [2], [3]

Việc phát triển thông tin vệ tinh ở Việt Nam đã và đang ngày càng được cần quan tâm để đáp ứng sự tăng nhanh không ngừng của nhu cầu, lưu lượng thông tin hiện nay [2], [3]

1.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh

 Một tuyến thông tin vệ tinh liên lạc giữa hai trạm mặt đất chuyển tiếp bằng vệ tinh địa tĩnh bao gồm đường lên (mặt đất lên vệ tinh) và đường xuống (vệ tinh xuống mặt đất) trong đó vệ tinh đóng vai trò như một trạm lặp Hệ thống thông tin vệ tinh có những đặc điểm chính sau đây[2], [6], [12]:

 Vùng phủ sóng: Có một số loại phủ sóng như : phủ sóng toàn cầu, phủ sóng một vùng, phủ sóng một quốc gia,… Vệ tinh có thể phục vụ bất kỳ một trạm mặt đất nào trong vùng phủ sóng và các dịch vụ của vệ tinh có thể tới được các vùng xa xôi, hẻo lánh, sa mạc, đại dương, thành phố lớn,…

 Dung lượng thông tin lớn: với băng tần công tác rộng, áp dụng các kỹ thuật tái sử dụng băng tần nên hệ thống thông tin vệ tinh cho phép đạt được dung lượng lớn một cách nhanh chóng

 Khả năng thông tin liên lạc và độ tin cậy thông tin cao: Tuyến thông tin

vệ tinh địa tĩnh chỉ gồm 3 trạm: vệ tinh đóng vai trò như một trạm lặp trên quỹ đạo, còn 2 trạm đầu cuối ở trên mặt đất vì vậy xác suất hư hỏng trên toàn tuyến là rất thấp Khả năng thông tin liên lạc thông suốt theo thống kê đạt 99,9% trên thời gian liên lạc trong một năm

 Đa dịch vụ: Các dịch vụ: điện thoại, Facsimile, số liệu, phát thanh và truyền hình quảng bá, dịch vụ VSAT DAMA, di động theo vệ tinh, đạo hàng và cứu hộ trên biển, trên không, được cung cấp một cách dễ dàng từ bất cứ đâu trên trái đất Chất lượng thông tin liên lạc cao: do điều kiện truyền sóng từ mặt đất lên vệ tinh và ngược lại tốt hơn các tuyến viba điểm nối điểm trên mặt đất, tốc độ bít lỗi có thể đạt 10-9 cho một sóng mang số 2048kb/s

 Khả năng thiết lập nhanh, tính linh hoạt cao: các tuyến thông tin liên lạc giữa các trạm mặt đất ở rất xa nhau về mặt địa lý được thiết lập rất nhanh

và có thể tăng giảm dung lượng và dễ dàng thay đổi cấu hình hệ thống

1.3 Dải tần trong thông tin vệ tinh

Các tần số cung cấp trong thông tin vệ tinh rất phức tạp ITU đã chia thế giới làm 3 vùng theo kinh độ để có kế hoạch chia dải tần [9], [13]: + Vùng 1: (300 Đông): Châu Âu, Châu Phi, Liên bang Xô viết cũ và các nước Đông Âu

+ Vùng 2 (900 Tây): Châu Mỹ

+ Vùng 3 (1500 Đông): Châu Á, Châu Đại Dương

Bảng 1.1 Phân loại các tần số trong thông tin vệ tinh

Do có nhiều loại hình thông tin vệ tinh (như các loại thông tin vệ tinh

di động hàng hải, hàng không, các loại thông tin vệ tinh cố định trong nước

và quốc tế,…), cùng với nhu cầu nhiều loại dịch vụ khác nhau giữa các khu vực nên cần phải phân định các tần số cho 3 vùng trên

Việc phân chia các dải tần đã tránh được sự giao thoa giữa các hệ

thống vô tuyến khác nhau Các dải tần này đã đưa ra ở bảng 1.1 và dưới sự

quản lý của ITU (International Telecommunication Union)

+ Băng C: 6/4 GHz dùng cho thông tin thương mại

+ Băng X: 8/7 GHz dùng cho thông tin quân sự

+ Băng Ku: 14/12 GHz dùng cho thông tin thương mai

+ Băng Ka: 30/20 GHz dùng cho thông tin chuyên dụng

Hiện nay, trong hệ thống thông tin vệ tinh người ta chủ yếu sử dụng rộng rãi băng tần C, KU, đặc biệt là băng Ka đang được đưa vào khai thác

và sử dụng

- Băng Ka (30/20 GHz) chưa được sử dụng nhiều do suy hao lớn trong khí quyển quả đất cũng như trong các điều kiện thời tiết xấu như mưa, sương mù,… Ưu điểm của băng tần này là cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ, ít bị can nhiễu cũng như gây can nhiễu cho các hệ thống viba khác Nhưng nhược điểm là giá thành thiết bị tương đối cao

Tại Việt Nam đang sử dụng tuyến lên vệ tinh IP STAR ở băng tần Ka

- Băng KU (14/12 GHz) có tần số làm việc cao hơn tần số cho các tuyến Viba mặt đất nên có tính can nhiễu ít hơn Hơn nữa, tần số làm việc trên băng KU còn trống nên có khả năng phát triển mở rộng Băng KU làm việc với tần số lớn nên cho phép giảm nhỏ đường kính anten trạm thu (chỉ cần 0,40,6m) Điều này làm cho băng KU có xu hướng sử dụng rộng rãi trong thông tin nội địa Nhưng nhược điểm lớn nhất của băng tần này là bị suy hao do mưa

Tại Việt Nam, sử dụng mạng VAST Ku với các trạm mặt đất cỡ nhỏ

đã đáp ứng nhu cầu cấp bách về thông tin liên lạc phục vụ cho an ninh quốc

phòng, phát triển kinh tế xã hội ở những vùng xa xôi hẻo lánh, miền nui, biên giới, hải đảo hay giàn khoan trên biển,…

- Băng C (6/4 GHz) được sử dụng cho hầu hết các vùng và hiện nay

đã được phát triển đặc kín Nhiều hãng viễn thông lớn đã quan tâm đến băng tần này và hàng loạt các thiết bị làm việc với băng C ngày càng được hoàn thiện Ưu điểm của băng C là tần số làm việc thấp gần với cửa sổ tần

số nên suy hao thấp

Ở Việt Nam, trạm vệ tinh mặt đất Hà Nội - đặt tại trạm Quế Dương,

Hà Tây hiện đang sử dụng anten trạm mặt đất có đường kính 18m với tần

số làm việc ở băng C

1.4 Quỹ đạo vệ tinh

Quỹ đạo vệ tinh là đường vệ tinh chuyển động [11] Quỹ đạo vệ tinh được xác định nhờ việc tính toán đưa ra trong các quy tắc của Johannes Kepler (1571 - 1630) như sau:

- Mặt phẳng quỹ đạo bay của bất kỳ vệ tinh phải cắt qua tâm trái đất

- Trái đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo bay nào của vệ tinh

Có 3 dạng quỹ đạo bay của vệ tinh, mô tả ở hình 1.1:

- Quỹ đạo cực tròn

- Quỹ đạo nghiêng elip

- Quỹ đạo xích đạo tròn

1.4.1 Quỹ đạo cực tròn (Circular Polar Orbit)

Đây là quỹ đạo duy nhất có thể bao phủ toàn cầu và đảm bảo thông tin liên tục nhờ một chuỗi vệ tinh trên quỹ đạo được liên kết với nhau Mỗi

vệ tinh trên quỹ đạo được phân cách nhau về thời gian và vùng phủ sóng

Vì vậy, mỗi điểm trên mặt đất nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian xác định nên hiệu quả kinh tế không cao, thêm vào đó kỹ thuật chuyển giao thông tin giữa các vệ tinh rất phức tạp

Hình 1.1 Mô tả 3 quỹ đạo của vệ tinh

Do đó, quỹ đạo này không được sử dụng cho viễn thông mà chủ yếu cho các hệ thống định vị, khí tượng, nghiên cứu thăm dò [11], [12]

1.4.2 Quỹ đạo nghiêng elip (Elliptically Incline orbit)

Quỹ đạo này phủ sóng ở các vùng cao như vùng ôn đới, vùng cực Bắc Nam Và quỹ đạo này đã được sử dụng thành công trong một số hệ thống

vệ tinh viễn thông đặc biệt là hệ thống thông tin vệ tinh nội địa của Liên Xô

cũ Chu kỳ quay của vệ tinh là 12giờ, độ nghiêng là 630, thời gian quan sát thấy vệ tinh 8giờ, thời gian này vệ tinh chuyển động chậm và sẽ phủ sóng cho miền cực trái đất

Dạng quỹ đạo này vấn đề điều khiển bám vệ tinh là rất khó [11], [12]

1.4.3 Quỹ đạo xích đạo tròn (Circular Equatorial Orbit)

Quỹ đạo xích đạo tròn có các vệ tinh bay trực tiếp trên mặt phẳng xích đạo (song song với đường xích đạo)

Quỹ đạo này được chia làm 3 dạng [11], [12]:

- Dạng quỹ đạo thấp

- Dạng quỹ đạo trung bình

Quỹ đạo nghiêng Elip

Quỹ đạo cực tròn

Quỹ đạo địa tĩnh Xích đạo

- Dạng quỹ đạo địa tĩnh

Quỹ đạo thấp: này chỉ cách mặt đất 160  480 km, chu kỳ quay khoảng 90 phút, thời gian quan sát thấy vệ tinh 30 phút hoặc thấp hơn Quỹ đạo trung bình: cách mặt đất 10.000  20.000 km, chu kỳ bay 5

 12 giờ, thời gian quan sát thấy vệ tinh là 2 - 4giờ

Hai dạng quỹ đạo này không thích hợp cho thông tin vệ tinh

Quỹ đạo địa tĩnh: Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo có độ cao cách bề mặt

trái đất 37.786 km Vệ tinh trên quỹ đạo bay theo hướng đông vận tốc 3075m/s cùng với vận tốc trái đất

Vệ tinh trên quỹ đạo này tránh được các ảnh hưởng lực hút của mặt trăng, mặt trời, sự vận động lên xuống của thuỷ triều nên vệ tinh có độ nghiêng và độ lệch tâm bằng không (trong thực tế, vệ tinh lệch khỏi trục với một giá trị nhỏ phụ thuộc vào góc ngẩng anten trạm mặt đất nhỏ hơn

50) Do đó, vệ tinh được xem như đứng yên tại một điểm quan sát trên mặt đất nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh Cho nên, vệ tinh này được gọi là

vệ tinh địa tĩnh [11], [12]

Mỗi vệ tinh trên quỹ đạo bao phủ 42% bề mặt trái đất nên chỉ cần 3

vệ tinh quay trên quỹ đạo là có thể bao phủ toàn bộ bề mặt trái đất (3 vệ tinh đặt ở 3 vị trí mà ta xem như mỗi vệ tinh bao phủ 1/3 bề mặt trái đất)

như ở hình 1.2

Vì vậy, vệ tinh thông tin được sử dụng chủ yếu là các vệ tinh nằm trên quỹ đạo địa tĩnh Và việc liên lạc giữa các trạm mặt đất sử dụng băng

C thông qua vệ tinh địa tĩnh [11], [12]

Vệ tinh địa tĩnh tránh được sự giao thoa với các hệ thống vô tuyến khác Một vấn đề quan trọng khi xem xét vệ tinh trên quỹ đạo này đó là việc thiết kế góc ngẩng anten vệ tinh thấp sẽ gây ra tổn thất đường truyền

lớn do vật chắn như nhà cửa, cây cối…và hạn chế dung lượng, độ tin cậy của tuyến kết nối thông tin vệ tinh [11], [12]

Hình 1.2 Hệ thống thông tin toàn cầu dùng

3 vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

Để có thể phóng được vệ tinh lên quỹ đạo địa tĩnh có 2 phương pháp [11], [12]:

* Sử dụng tên lửa phóng: Dùng 2 tên lửa Tên lửa thứ nhất, phóng

vệ tinh lên quỹ đạo "chờ" là quỹ đạo có độ cao cách bề mặt trái đất 300km Tên lửa thứ hai, đẩy vệ tinh lên quỹ đạo "chuyển tiếp", quỹ đạo này có cận điểm bằng độ cao quỹ đạo "chờ", viễn điểm bằng độ cao quỹ đạo địa tĩnh Sau đó, nó tách ra khỏi bộ phận phóng và chuyển động một mình trong không gian Sau vài ngày, vệ tinh sẽ trượt lên quỹ đạo địa tĩnh và bằng động cơ đẩy nó được đẩy lên hẳn quỹ đạo địa tĩnh

* Sử dụng tàu vũ trụ con thoi: (Hệ thống vận tải không gian)

A

Tên lửa nâng đỡ đã được gắn vào vệ tinh làm tăng tốc độ vệ tinh và đẩy vệ tinh lên quỹ đạo địa tĩnh

1.5 Các phương thức truy nhập

Trong thông tin vệ tinh, vệ tinh chỉ có một nhưng phải thoả mãn yêu cầu cùng được truy nhập với vệ tinh để nối thông liên lạc giữa các trạm mặt đất Để cho các trạm mặt đất tại cùng một thời điểm có thể liên lạc với nhau thông qua một vệ tinh chung, phải ghép các trạm mặt đất lại theo một phương thức nào đó gọi là ghép đa trạm Phương pháp cho phép các trạm mặt đất truy nhập thông tin với vệ tinh gọi là phương thức đa truy nhập Hiện nay, các phương thức đa truy nhập chủ yếu được dùng trong thông tin

vệ tinh: đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy nhập theo yêu cầu (DAMA), đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA), [2], [3], [6], [10]

1.5.1 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

 Phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số cho phép trạm mặt đất khi phát tín hiệu được truy nhập với một phần băng tần bộ phát đáp vệ tinh đã được ấn định trước cho trạm đó, FDMA truyền thống thường dùng là mỗi kênh đơn trên một sóng mang (SCPC)

 Ngày nay, trên các hệ thống thông tin vệ tinh thương mại quốc tế, các sóng mang đã được số hoá nhưng phương thức truy nhập phân chia theo tần số vẫn dùng phổ biến [2], [10]

1.5.2 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

 Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) dựa trên

cơ sở phân chia toàn bộ thời gian sử dụng bộ phát đáp thành các khoảng thời gian nhỏ giữa các khoảng này với nhau có các khoảng trống (còn được gọi là thời gian gián đoạn) Điều này hoàn toàn tương

tự như trong FDMA chia toàn bộ băng tần của bộ phát đáp thành các băng tần con mà giữa chúng có những khoảng giãn băng

 Nguyên tắc truy nhập vệ tinh trong phương thức TDMA, mỗi trạm mặt đất sử dụng một khe thời gian riêng biệt để phát lượng thông tin của mình dưới dạng chuỗi bít số nằm trong một luồng bít số (gọi là burst tín hiệu) Thời gian bắt đầu phát của burst tín hiệu được thiết lập khi trạm điều khiển trung tâm thu được burst tín hiệu đồng bộ Tốc độ bít của burst cũng như khoảng thời gian cho phép của burst là những yếu tố được điều khiển Khoảng thời gian mà mỗi trạm được phép truy nhập với bộ pháp đáp vệ tinh được phân chia bởi trạm điều khiển sao cho phù hợp với nhu cầu về lưu lượng thông tin của mỗi trạm, như vậy ở đây có sự thay đổi về khoảng thời gian của burst tín hiệu ( hay còn gọi

là độ dài burst tín hiệu giữa các trạm mặt đất) [2], [10], [13]

 Ưu điểm của phương thức TDMA cho phép sử dụng bộ pháp đáp hiệu quả hơn phương thức FDMA

1.5.3 Phương thức truy nhập theo yêu cầu (DAMA)

 Phương thức truy nhập DAMA linh hoạt trong kết nối theo yêu cầu lưu lượng, sử dụng máy phát đáp trên vệ tinh một cách có hiệu quả đặc biệt phù hợp với những vùng có dung lượng thấp Kênh thông tin chỉ được thiết lập giữa hai trạm mặt đất trong thời gian thông tin với nhau, khi ngừng liên lạc kênh bị xoá, quá trình đó được trạm chủ của mạng điều khiển [2], [10]

 Tuy vậy, do thời gian trễ truyền dẫn không dưới 810ms vì vậy không kinh tế khi dùng DAMA cho dịch vụ truyền số liệu, chỉ nên sử dụng phương pháp truy nhập theo yêu cầu cho liên lạc điện thoại [10]

1.5.4 Đa truy nhập theo mã ( CDMA)

 Phương pháp này cho phép sử dụng chung một phổ tần số của bộ phát đáp trên vệ tinh bằng cách trải phổ tín hiệu ra một dải tần rộng hơn băng tần cần thiết để truyền một lượng thông tin Sở dĩ có thể sử dụng chung một phổ tần số vì mỗi trạm phát sử dụng một mã giả ngẫu nhiên riêng để thực hiện việc trải phổ tín hiệu cần truyền của nó [12]

 Mỗi trạm thu có một mã nhiễu giả ngẫu nhiên tương ứng để nén phổ (ngược với trải phổ) Các mạng khác nhau có thể hoạt động đồng thời trong cùng một phổ nếu sử dụng một mã khóa không gây ảnh hưởng đến việc trải phổ và nén phổ của mạng bên cạnh Lợi thế của hệ thống này là tính kinh tế cao do khả năng thiết lập nhiều trạm mặt đất dùng chung một băng tần [10], [12], [13]

1.6 Trạm mặt đất

1.6.1 Cấu hình cơ bản

Hình 1.3 là cấu hình trạm mặt đất thông tin vệ tinh

Thiết lập cơ bản của một trạm mặt đất thông tin vệ tinh bao gồm: anten, khuyếch đại tạp âm thấp (LNA), máy phát (HPA), các bộ đổi tần lên, bộ cộng công suất cao tần, bộ đổi tần xuống, chia tín hiệu siêu cao tần và điều khiển anten,…

Nguyên lý làm việc của trạm mặt đất [2], [8], [11], [12] mô tả theo đường lên và đường xuống như sau:

a Đường lên (mặt đất lên vệ tinh):

Tín hiệu có băng tần cơ bản (luồng số với tốc độ khác nhau từ các modem IDR hoặc tín hiệu hình ảnh,…) được điều chế (Modulator) nâng lên tần số lên trung tần và khuyếch đại lên mức cần thiết Sau đó được đưa đến

bộ đổi tần lên (U/C) đổi lên dải tần siêu cao (5.75-6.25 GHz)

Nhiều tín hiệu có tần số siêu cao đƣợc tổng hợp trong bộ Combiner (C), bộ khuyếch đại công suất lớn (HPA) nâng công suất tín hiệu lên đủ lớn rồi đƣa ra anten phát xạ lên vệ tinh [2], [8], [11], [12]

Hình 1.3 Sơ đồ khối chung của hệ thống thông tin vệ tinh

b Đường xuống (vệ tinh xuống mặt đất):

Tín hiệu ở dải tần 5.75-6.25 GHz đƣợc đổi thành 3.7-4.2 GHz, qua khuyếch đại ra anten phát xuống mặt đất Anten trạm mặt đất thu tín hiệu từ

D/C U/C

vệ tinh, qua khuyếch đại tạp âm thấp (LNA), qua bộ chia, bộ đổi tần xuống chuyển đổi tín hiệu thành trung tần, bộ giải điều chế phục hồi tín hiệu trở

về băng tần cơ bản [2], [8], [11], [12]

1.6.2 Anten trạm mặt đất

 Anten trạm mặt đất thường dùng là loại anten Casegrain, là phần tử quan trọng của trạm mặt đất, nó trao đổi năng lượng sóng điện từ với không gian xung quanh Các đặc tính và chỉ tiêu kỹ thuật Anten ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu, anten thực hiện cả 2 chức năng thu phát cùng một lúc nhờ bộ lọc ngăn cách tín hiệu thu phát (diplexer) [11]

 Độ tăng ích anten là tỷ số giữa công suất phát xạ hay thu được trong một đơn vị góc khối anten và một anten chuẩn (anten phát xạ đẳng hướng ) ở cùng hướng với cùng khoảng cách khảo sát, với giả thiết công suất đặt vào hai anten như nhau

Độ tăng ích anten ký hiệu là G [11], được tính như sau:





G a (dBi) (1.1) trong đó:

a Hiệu suất bức xạ anten [%]

Nếu không hiệu chỉnh, mặt phẳng nghiêng quỹ đạo có khuynh hướng tăng khoảng 0,90 trong một năm so với mặt phẳng xích đạo, vệ tinh cũng trôi dạt theo hướng Bắc - Nam hoặc Đông - Tây Bởi vậy, để kéo dài tuổi thọ của vệ tinh, người ta chấp nhận cho vệ tinh trôi dạt  0,10 Và để điều chỉnh vệ tinh ở vị trí có độ sai lệch nhỏ nhất thì người ta dùng các thiết bị điều khiển bám vệ tinh ở các trạm vệ tinh mặt đất Việc bám sát vệ tinh của anten là cực kỳ quan trọng để đảm bảo thông tin được liên tục [11]

Có 4 loại hệ thống điều khiển đuổi bám vệ tinh [2], [6], [12], [13] được sử dụng ở một trạm mặt đất là:

- Đuổi bám xung đơn

2 Sự thăng giáng cường độ tín hiệu: Sự thăng giáng cường độ tín hiệu

là chỉ sự biến đổi nhanh của cường độ tín hiệu nhận được ở trạm vệ tinh mặt đất Sự biến đổi là do các điều kiện khí quyển ảnh hưởng đến sự truyền sóng ở sóng cực ngắn Cường độ tín hiệu bị ảnh hưởng do chất khí không đồng nhất như có nhiều chất khí, nhiệt độ và độ ẩm khác nhau

Nhiễu mặt trời và sự thăng giáng cường độ trường tín hiệu có thể yêu cầu anten ngừng sử dụng trong khoảng thời gian biến động Các hệ thống có

thể chuyển sang chế độ dự phòng

a Điều khiển đuổi bám bằng xung đơn

Phương pháp bám vệ tinh trên cơ sở thu và giám sát các kiểu sóng mang bằng các feedhorn đặt xung quanh feedhorn chính Tách các kiểu sóng mang đưa vào thiết bị phân tích xử lý để xác định mức độ lệch hướng của anten với vệ tinh

Ưu điểm của hệ thống anten đuổi bám vệ tinh bằng phương pháp xung đơn cho phép thao tác đơn giản, chính xác và giá thành rẻ Nhưng nhược điểm là thiết bị đánh dấu anten phải làm việc liên tục để cung cấp năng lượng, mà làm việc liên tục dẫn đến thiết bị phải làm việc quá công suất nên chóng hao mòn và nhanh hỏng Vì vậy, hiện nay rất ít dùng trong thông tin vệ tinh thương mại [2], [6], [12], [13]

b Điều khiển đuổi bám từng nấc (bước)

Phương pháp bám kiểu từng nấc là dựa trên điện áp một chiều của tín hiệu dẫn đường từ vệ tinh (beacon) có tần số 3947,5 MHz hoặc 3953,5 MHz

Tín hiệu beacon thu được nhờ LNA, beacon D/C, beacon receiver

Hệ thống bám vệ tinh được trình bày theo sơ đồ hình 1.4

Căn cứ mức điện áp để xác định hướng dịch anten, tạo tín hiệu triger

để khởi động các mô tơ điều khiển góc tà và góc phương vị Tín hiệu beacon được giám sát bởi hệ thống bám vệ tinh tại các khoảng thời gian nhất định, hệ thống bám sẽ lấy mẫu tại một số thời điểm trong cửa sổ Mức điện áp sẽ được so sánh để xác định vị trí vệ tinh có ở trung tâm cửa sổ hay không Bộ điều khiển sẽ ra lệnh để anten quay tới hướng có mức thu beacon lớn nhất Trường hợp mức beacon bất ngờ tụt xuống dưới mức chuẩn, hệ thống bám được khởi động

Ưu điểm của điều khiển bám từng nấc so với xung đơn là thiết bị đánh dấu anten không phải làm việc liên tục, đỡ tốn năng lượng và không hại kết cấu cơ khí anten Nhưng nhược điểm của hệ thống điều khiển đuổi bám từng nấc là kém chính xác, hiếm khi đạt tới mức cực đại, mặc dù vậy hiện nay nó vẫn thông dụng trong các hệ thống thông tin vệ tin thương mại [2], [6], [12], [13]

c Điều khiển đuổi bám theo chương trình

Ngày nay, người ta mới nhận thấy rằng cần phải có một giải pháp điều khiển bám không đắt tiền mà vẫn đạt hiệu quả cao đó là điều khiển bám vệ tinh theo chương trình

Việc đuổi bám theo chương trình là lập chương trình theo một quỹ đạo của vệ tinh nào đó Việc lập chương trình đuổi bám vệ tinh dựa trên số liệu lịch thiên văn, bảng thiên văn học dự đoán các vị trí vệ tinh Các số liệu này được Intelsat cung cấp và hiển thị dưới dạng chương trình phần mềm, sau đó biến đổi dữ liệu thành các giá trị thực cho trạm vệ tinh mặt đất đó để điều khiển bám vệ tinh đã cho Do loại điều khiển bám vệ tinh theo chương trình không cần các máy tính hướng dẫn điều khiển bám (beacons) và các thiết bị liên quan nên giảm được giá thành trạm mặt đất,

Mô tơ chỉnh góc tà

Bộ chia tín hiệu cao tần

Đến đổi

tần

xuống Khuyếch đại tạp âm thấp

Bộ lọc thu phát

T x

Hình 1.4 Bám vệ tinh kiểu từng nấc

vì thế nó là một phương pháp ứng dụng tốt cho các trạm vệ tinh mặt đất nhỏ

Điều khiển bám vệ tinh theo chương trình nói chung sử dụng như hệ thống điều khiển bám vệ tinh từng nấc Trong trường hợp thiết bị chính có

sự cố anten có thể được định vị đúng bằng điều khiển bám theo chương trình và chuyển sang phương pháp điều khiển bám từng nấc để cuối cùng

vệ tinh được định vị đúng [2], [6], [12], [13]

d Hệ thống điều khiển bám nhân công

Các anten của các trạm vệ tinh mặt đất nhỏ hơn có thể chỉ cần điều chỉnh hàng tuần hoặc hàng tháng bởi vì búp sóng của anten rộng Điều khiển bám có thể được thực hiện bằng cách làm cho các chuyển mạch phù hợp với mô tơ góc phương vị và góc ngẩng

Các hệ thống điều khiển bám tự động thường có khả năng điều khiển bằng tay để cho phép bảo dưỡng anten Điều khiển bám bằng nhân công cũng có thể sử dụng như là một phương pháp thêm vào ở trường hợp hỏng thiết bị

Có phương pháp điều khiển bám nhân công khác đó là biện pháp cơ khí trực tiếp để quay anten.Các anten nhỏ có thể chỉ nới lỏng một cái chốt sau đó điều chỉnh một số ốc vít thay đổi góc phương vị và góc tà Các anten lớn hơn có thể yêu cầu một tay vặn gắn trực tiếp ở bộ phận đuôi của anten Việc điều khiển bằng tay đối với các anten lớn chỉ trong trường hợp khẩn cấp khi có sự cố nguồn tổng cung cấp cho các khối điều khiển anten [2], [6], [12], [13]

1.7 Các yếu tố ảnh hưởng năng lượng đường truyền

Trong thông tin vệ tinh địa tĩnh, sóng vô tuyến truyền từ Trạm phát tới Trạm thu bị suy giảm mức rất lớn do suy hao truyền dẫn trong không gian tự do và suy giảm do tác động của các thành phần cấu thành tầng khí

quyển Phần suy giảm khi sóng truyền qua tầng khí quyển tuy khá nhỏ so với suy hao trong không gian tự do nhưng lại mang tính ngẫu nhiên, người

ta chỉ tiên lượng được khoảng biến động và hạn chế tác động của nó bằng cách dự phòng một quỹ năng lượng nhất định cho đường truyền tuỳ theo yêu cầu dịch vụ và điều kiện địa lý (khí hậu và góc ngẩng của anten ) của đường truyền Tuy nhiên, quỹ năng lượng dự phòng cũng bị giới hạn bởi công suất back-off của vệ tinh Sự suy giảm sóng mang do tác động của tầng khí quyển ảnh hưởng lớn đối với thông tin số liệu, đặc biệt là với phương thức TCP/IP vì những sự thăng giáng bất thường và rất ngắn đều

có thể gây nên lỗi bit truyền và dẫn tới khả năng mất gói [7], [12], [13],

- Đảm bảo hợp lý mức phát EIRP của trạm phát mặt đất Mức EIRP trạm phát không cần quá lớn, vì như thế sẽ dẫn đến lãng phí và gây can nhiễu đến các hệ thống khác Nhưng cũng cần phải đủ lớn để có thể cung cấp đủ mức vào tối thiểu cho bộ phát đáp trạm vệ tinh

Hai điểm nêu ra ở trên có sự mâu thuẫn nhau, vì nếu tính kinh tế cho trạm phát thì cần phải tăng chất lượng thiết bị đầu thu và trên toàn tuyến Nếu tăng chất lượng tuyến và giảm giá thành thiết bị đầu thu thì phải trả giá cho thiết bị đầu phát

Ngoài hai chỉ tiêu có tính mâu thuẫn ở trên, để có thể dung hòa được thì điều cần đặt ra đối với nhà thiết kế, quản lý, khai thác là phải quan tâm xem xét một cách toàn diện các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng toàn tuyến:

1.7.1 Suy hao tín hiệu trong truyền dẫn

Sóng điện từ bị suy giảm mức khi truyền lan trong không gian tự do

Sự suy giảm mức tín hiệu phụ thuộc tần số công tác và chiều dài đường truyền [12], [13], [18] Công suất tín hiệu tại điểm thu:

P

R T T R

T T R

T T

R

L

G G P d

G G P d

A G

+ , d : Bước sóng [m] và chiều dài đường truyền sóng[km]

+ GT, GR : Hệ số khuyếch đại anten phát, thu

a Suy hao do ảnh hưởng của tầng khí quyển

Khi truyền từ mặt đất lên vệ tinh và ngược lại, sóng điện từ không những chỉ bị suy hao bởi trường tự do, mà còn hấp thụ năng lượng do các phân tử ôxy và hơi nước trong tầng khí quyển Ngoài ra về chất lượng tín hiệu còn xấu đi do ảnh hưởng của các hiện tượng ngẫu nhiên biến thiên theo thời gian và không gian như: mây, mưa, tạp âm, phađinh, tán xạ, khúc

xạ, nhiễu xạ, [2], [8], [12], [13], [18]

Do ảnh hưởng của các hiện tượng ngẫu nhiên kể trên, sóng vô tuyến truyền trong tầng khí quyển bị hấp thụ năng lượng, biến dạng phân cực, thêm tạp âm, can nhiễu, phản xạ, nhiễu xạ, tán xạ, [12] Tầng khí quyển tạo ra sự suy hao và tạp âm, hai yếu tố này làm cho tín hiệu truyền qua bị giảm về mức và thêm tạp âm làm giảm chất lượng đường truyền trong điều kiện trời trong [12], [13], [18]:

 Ngoài suy hao trường tự do, sóng điện từ ở dải tần từ 1GHz-10GHz và trên nữa còn bị các phân tử ôxy, hơi nước trong tầng khí quyển, tầng ion hoá hấp thụ năng lượng gọi là suy hao tầng khí quyển Suy hao tầng khí quyển phụ thuộc tần số công tác và kích thước phân tử ôxy, hơi nước, suy hao lớn nhất khi bước sóng bằng kích thước phân tử ôxy và hơi nước

 Ở tầng thấp khí quyển do áp suất tăng, mật độ ôxy và hơi nước cao vì vậy sóng điện từ bị hấp thụ mạnh do đó suy hao tín hiệu lớn

b Suy hao do mưa

Mưa là hiện tượng tự nhiên mang nhiều đặc trưng của tiểu khí hậu,

có cường độ phân bố theo quy luật ngẫu nhiên và thay đổi theo thời gian, làm giảm chất lượng thông tin vô tuyến nói chung và thông tin vệ tinh nói riêng [13], [18] Nghiên cứu các ảnh hưởng của mưa làm cơ sở để xử lý phục vụ cho việc duy trì liên lạc được các nhà khoa học làm việc trên lĩnh vực truyền sóng vô tuyến quan tâm nghiên cứu và cũng có ý nghĩa rất lớn trong xu thế toàn cầu hoá thông tin

 Suy hao do sự hấp thụ, tán xạ: Suy hao khi sóng vô tuyến truyền qua mưa bị hấp thụ và tán xạ bởi hạt mưa có kích thước khác nhau, gọi là suy hao mưa Tuyến xiên đường truyền bị mưa phụ thuộc góc ngẩng anten trạm mặt đất và vị trí địa lý của nơi đặt trạm mặt đất Suy hao

mưa tính theo đơn vị chiều dài bị mưa của đường truyền sóng gọi là hệ

số suy hao mưa, biểu diễn như sau [12], [18]:

10 343

 (dB/km) (1.3)

Trong đó:

n(ar) : Số hạt mưa có bán kính ar trong một đơn vị thể tích

Q(ar,) : Tiết diện triệt tiêu của hạt mưa cho sóng điện từ có bước sóng

Khi truyền qua vùng mưa sóng điện từ bị phân tán đi nhiều hướng khác nhau do các hạt mưa có kích thước rất khác nhau, bị biến dạng bởi gió

và rơi tự do trong khi mưa Đặc tính phân tán sóng điện từ của mưa làm thay đổi pha tín hiệu dẫn đến biến đổi phân cực sóng điện từ trong băng tần

từ 1GHz-50GHz [12], [13]

1.7.2 Ảnh hưởng của tạp âm

a Tạp âm do phần tử khí trong khí quyển

Ngoài đặc tính hấp thụ năng lượng sóng điện từ, các phân tử ôxy và hơi nước trong tầng thấp khí quyển hoạt động như một nguồn bức xạ tạp

âm nhiệt ở dải tần viba làm gia tăng tạp âm nhiệt đường truyền, dẫn đến giảm hệ số phẩm chất (G/T) trạm thu, kết quả cuối cùng làm giảm chất lượng thông tin [12]

Tạp âm tầng khí quyển còn được tạo ra bởi hiện tượng sét (sự phóng

xạ giữa các đám mây tích điện trái dấu) xảy ra trong khí quyển, các bức xạ năng lượng này ở dải dưới 30MHz Công suất tạp âm khí quyển có mức cao nhất ở những vùng vĩ độ thấp (Brazil, Trung phi, Đông Nam á) tuy vậy

nó vẫn ảnh hưởng đối với thông tin vô tuyến điện ở những vùng vĩ độ cao

Công suất tạp âm khí quyển phụ thuộc thời gian trong ngày, mùa trong năm, điều kiện thời tiết, có thể dự báo công suất tạp âm khí quyển cho một địa điểm thời gian trong ngày, mùa trong năm cho trước đối với cả băng tần hoặc tần số trung tâm [12], [18]

b Tạp âm do mưa

Các hạt mưa hấp thụ năng lượng sóng điện từ qua nó, do kích thước hạt mưa gần bằng bước sóng tín hiệu truyền qua nên chúng hoạt động như một nguồn bức xạ tạp âm nhiệt, gọi là tạp âm mưa Mưa làm tăng nhiệt tạp

âm hệ thống, do đó làm giảm hệ số phẩm chất G/T của trạm, sự gia tăng nhiệt tạp âm hệ thống tính theo suy hao do mưa biểu diễn như sau [12]:

m R

+ R: suy hao mưa tính theo hư số

+ Tm: nhiệt độ trung bình hạt mưa [0K]

Tổng nhiệt tạp âm hệ thống trong khi mưa:

R

R HT M

c Tạp âm trái đất

Trái đất như một vật xám bức xạ tạp âm nhiệt, tạp âm này được búp phụ và búp phía sau anten tích luỹ gọi là một thành phần quan trọng tạo nên nhiệt tạp âm anten Giá trị tạp âm này phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt trái đất, thay đổi theo từng vùng khác nhau làm tăng thêm nhiệt độ tạp âm

hệ thống Tạp âm nhiệt của trái đất được lấy trung bình gần đúng bằng

2900K [12]

Tạp âm nhiệt xuất hiện trên cả đường lên và đường xuống; tạp âm nhiệt đường lên được phát lại trên đường xuống bởi phát đáp vệ tinh, theo hướng từ đầu vào phát đáp vệ tinh tới đầu vào máy thu trạm mặt đất Ngoài

ra, một nguồn tạp âm nhiệt khác gọi là tạp âm tạo ra bởi các phần tử trong máy thu của bản thân hệ thống

Nhiệt tạp âm anten đặc trưng cho toàn bộ phân bố các thành phần tạp

âm được anten tiếp nhận, kí hiệu là TA

- Nhiệt tạp âm anten trong điều kiện trời trong Anten tiếp nhận các tạp âm bức xạ từ bầu trời với nhiệt độ là TSKY cũng như các tạp âm từ mặt đất tại các vùng lân cận trạm thu TGROUND

TA = TSKY + TGROUND (K) (1.6)

- Nhiệt tạp âm anten trong điều kiện có mưa Mưa có tác động như một suy hao với mức suy hao là ARAIN và với nhiệt độ Tm Mưa làm giảm ảnh hưởng bức xạ của bầu trời và bản thân nó tạo ra tạp âm với nhiệt tạp

SKY

A

T A

âm hệ thống thu Nhiệt tạp âm anten phụ thuộc môi trường xung quanh nó,

biến thiên theo thời gian và có ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng đường truyền [12], [18]

d Tạp âm xuyên điều chế (Intermodulation Noise)

Sự xuất hiện đồng thời của nhiều sóng mang trong thiết bị khuyếch đại phi tuyến của bộ phát đáp là nguyên nhân gây ra các thành phần điều chế tương hỗ [12], [18]

Sự phân bố tạp âm này cần được xem xét trong mối liên hệ với sóng mang mong muốn mà chúng tác động tới, như vậy sẽ tiện lợi hơn cho sử dụng và tính toán tỷ số công suất sóng mang trên mật độ phổ công suất tạp

âm tại điểm nào đó của đường kết nối mà tại đó tạp âm tác động xấu tới sóng mang

Tạp âm xuyên điều chế hình thành tại đầu ra bộ phát đáp và phát trên đường xuống với phân bố tại đầu vào máy thu trạm mặt đất

1.7.3 Tỷ số lỗi bít BER

Để duy trì năng lượng đường truyền, bắt buộc phải dự trữ năng lượng đường truyền cho điều kiện trời trong để khi điều kiện đường truyền sóng bị đột biến vẫn đảm bảo tỷ số Eb/N0 đối với sóng mang số, giá trị tỷ số lỗi bít BER [2], [3], [6], [13], [18]:

N

E

lg 10 0

Đường truyền tốc độ cao cần công suất phát lớn, với sự suy hao do truyền dẫn và ảnh hưởng của tạp âm thì công suất tạp âm N0 trên toàn tuyến là rất lớn

Ta nhận thấy, tạp âm tại điểm thu là tác động tổng hợp của tạp âm vũ trụ, tạp âm do tác động của tầng khí quyển, do bức xạ của trái đất, xuyên nhiễu và do tạp âm nhiệt của bản thân các thiết bị gây nên Thành phần tạp

âm sinh ra do các yếu tố bất thường trong tầng khí quyển và do xuyên nhiễu mang tính ngẫu nhiên Những thành phần tạp âm sinh ra “bất định” chính là các yếu tố nguy hiểm đối với tỷ số EB/N0, cũng như ảnh hưởng của thành phần suy hao “bất định” Đặc biệt nguy hiểm là các yếu tố ngẫu nhiên khi xuất hiện tác động làm suy giảm tín hiệu cũng đồng thời gây tác động làm tăng mật độ tạp âm nên chúng gây ra một tác động “kép” tới tỷ số

EB/N0

1.8 Kết luận

Việc xem xét nghiên cứu kỹ thuật thông tin vệ tinh là rất quan trọng, đặc biệt các yếu tố ảnh hưởng đến năng lượng đường truyền thông tin vệ tinh như: Suy hao đường truyền và tạp âm Bởi 2 yếu tố này đều làm ảnh hưởng tới tỷ số EB/N0, với việc suy giảm tín hiệu bất thường và rất ngắn đã gây nên lỗi bít truyền, dẫn tới khả năng mất gói dữ liệu Việc mất gói dữ liệu ảnh hưởng rất lớn tới việc truyền giao thức TCP/IP IP coi mọi sự mất gói dữ liệu cũng là dấu hiệu đường truyền bị nghẽn và khi đó nó sẽ áp dụng các kỹ thuật giảm nghẽn hoặc tránh nghẽn Sự khôi phục lại gói dữ liệu bị mất cũng làm tăng lưu lượng truyền, tương đương với việc giảm băng thông cấp Do đó, xác suất lỗi bit sẽ có một mối tương quan ngược với băng thông của đường truyền Từ xác suất lỗi bit có thể tính được băng thông tối thiểu hay lưu lượng tối đa có thể phát trên tuyến

Như vậy, với việc mô tả trên sẽ có cách nhìn tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, về các yếu tố ảnh hưởng đến đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh Tất cả vấn đề đó ảnh hưởng rất nhiều đến việc truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh và sẽ được nghiên cứu kỹ ở chương 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ TRUYỀN IP

THÔNG THƯỜNG

2.1 Tổng quan

Internet là một hệ thống gồm các mạng máy tính được liên kết cùng nhau trên phạm vi toàn thế giới, tạo điều kiện thuận lợi cho các dịch vụ truyền thông dữ liệu như: đăng nhập từ xa, truyền các tệp tin, thư tín điện

tử và các nhóm thông tin Nguồn gốc đầu tiên của Internet là hệ thống máy tính của Bộ quốc phòng Mỹ gọi là mạng ARPAnet, một mạng thí nghiệm được thiết kế từ năm 1969 để tạo điều kiện thuận lợi cho việc hợp tác khoa học trong các công trình nghiên cứu quốc phòng [5], [14], [22]

TCP/IP là bộ giao thức Internet được phát triển từ quá trình nghiên cứu của cơ quan DARPA thuộc bộ quốc phòng Hoa kỳ Nó bắt nguồn từ sự phát triển hệ thống thông tin trong nội bộ DARPA Sau đó TCP/IP được phối hợp với Unix BSD (Berkeley Software Distribution), là tính năng chuẩn trên mọi phiên bản Unix Ngày nay, TCP/IP là một chuẩn phổ biến cho hoạt động thông tin liên mạng và đóng vai trò là giao thức vận chuyển trong Internet, cho phép hàng triệu máy tính liên lạc với nhau trên phạm vi toàn cầu [5], [14], [22]

TCP/IP cho phép hoạt động thông tin diễn ra trong bất kỳ các mạng nào trong liên mạng và phù hợp tốt như nhau trong hoạt động truyền tin ở

cả mạng LAN và WAN Có 2 phương thức hoạt động khi truyền dữ liệu:

Phương thức hướng kết nối (connection oriented) và phương thức không kết nối (connectionless) [4], [5]

 Phương thức hướng kết nối: đòi hỏi phải tồn tại một kết nối giữa các

thực thể đồng mức trước khi bắt đầu truyền dữ liệu

 Phương thức không kết nối: trước khi truyền dữ liệu không cần thiết

lập mối kết nối giữa các thực thể đồng mức, do đó quá trình truyền dữ liệu diễn ra đơn giản hơn , các đơn vị dữ liệu là độc lập với nhau

TCP là giao thức thực hiện theo phương thức kết nối

IP là giao thức thực hiện theo phương thức không kết nối

TCP/IP đảm nhiệm các chức năng sau [14], [22]:

 Chia các thông điệp (message) thành các đoạn dữ liệu để có thể quản lý

và truyền qua môi trường truyền một cách hiệu quả

 Giao tiếp với phần cứng tương thích mạng

 Đánh địa chỉ: máy tính truyền phải có khả năng đưa dữ liệu đến đúng máy tính nhận Và máy tính nhận cũng phải có khả năng nhận ra một thông điệp là truyền cho nó

 Định tuyến dữ liệu đến mạng con của máy tính đích, cho dù mạng con của máy tính nguồn và máy tính đích không thuộc cùng một loại mạng vật lý

 Thực hiện kiểm soát lỗi, điều khiển luồng và báo nhận: Đối với truyền thông tin cậy, các máy tính truyền và nhận phảI có khả năng nhận dạng, sửa lỗi và điều khiển luồng dữ liệu

 Nhận dữ liệu từ một ứng dụng và truyền nó vào mạng

 Và ngược lại, nhận dữ liệu từ mạng và truyền nó đến một ứng dụng

Để thực hiện các chức năng trên, TCP/IP được xây dựng dựa trên thiết kế module Ưu điểm của thiết kế module là giúp cho nhà cung cấp dễ dàng tích hợp phần mềm giao thức với phần cứng cụ thể và các hệ điều

hành Hệ thống giao thức TCP/IP được phân ra thành các thành phần theo

lớp, mỗi phần thực hiện các nhiệm vụ riêng biệt [4], [5]

Mô hình phân lớp là một mô hình chung cho việc mô tả hoạt động

mạng TCP/IP như hình 2.1

Với chức năng của các lớp [4], [5]:

mạng vật lý Cung cấp kiểm soát lỗi cho dữ liệu phân bố trên mạng vật

lý Trong mạng Internet mặt đất, lớp truy cập mạng chuyển đổi số liệu thành các khung

đánh địa chỉ IP, độc lập phần cứng mà nhờ đó dữ liệu có thể di chuyển giữa các mạng con có các kiến trúc vật lý khác nhau Cung cấp chức năng định tuyến để giảm lưu lượng và hỗ trợ phân bố dọc theo liên mạng (internetwork) Một số giao thức được sử dụng để định tuyến các gói tin ở lớp này như:

- IP (giao thức Internet): Thực hiện theo phương thức không kết nối, định tuyến các datagram để phân phối theo lối tổng lực (best-effort); không đề cập đến nội dung của các datagram, tìm kiếm một con đường để chuyển các datagram đến đích càng sớm càng tốt

- ICMP (Giao thức bản tin điều khiển Internet): Cung cấp khả năng điều khiển và thông báo IP không thể phát hiện các lỗi liên mạng

Các card giao diện và các

bộ điều khiển thiết bị

Hình 2.1 Mô hình phân lớp giao thức mạng Internet

Lớp truy cập

như tắc nghẽn hay các sự cố đường truyền Còn ICMP có thể phát hiện các lỗi, thông báo cho IP và các giao thức tầng trên

- ARP (Giao thức phân giải địa chỉ ): Xác định địa chỉ lớp liên kết dữ liệu cho các địa chỉ IP đã biết

- RARP: Xác định địa chỉ mạng khi đã biết địa chỉ lớp liên kết dữ liệu

các dịch vụ báo nhận cho liên mạng Lớp này cung cấp 2 giao thức: TCP và UDP

- TCP: là một giao thức thực hiện theo phương thức hướng kết nối, nó

có điều khiển luồng bằng cửa sổ trượt (sliding window) và đặc tính tin cậy của nó có được nhờ vào các chỉ số tuần tự và dùng báo nhận (acknowledgments)

- UDP: Là một giao thức cung cấp dịch vụ theo phương thức không kết nối (giống IP), tiêu đề UDP bổ sung thêm các cửa sổ cho các ứng dụng nguồn và nơi nhận

số ứng dụng cơ bản như:

- Telnet để truy nhập từ xa

- Dịch vụ truyền file-FTP

- Giao thức truyền thư điện tử đơn giản - SMTP

- Giao thức truyền Web – HTTP

- Giao thức quản lý mạng đơn giản – SNMP…

Trong khi thực hiện việc truyền tin nó có cấu trúc gần giống với mô hình 7 lớp OSI tại các lớp bên dưới Sự tương ứng các tầng dịch vụ của

TCP/IP với mô hình 7 lớp OSI [4], [5] được mô tả như hình 2.2

 TCP/IP và OSI có những điểm giống nhau:

- Đều là phân lớp

- Có lớp ứng dụng, qua đó có nhiều dịch vụ khác nhau

- Có các lớp mạng và lớp truyền tải có thể so sánh đƣợc

Kỹ thuật chuyển mạch gói đƣợc chấp nhận

 TCP/IP và OSI có những điểm khác nhau:

- TCP/IP tập hợp các lớp trình bày và lớp phiên vào trong lớp ứng dụng của nó

- TCP/IP tập hợp lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu trong OSI thành một lớp

- TCP/IP biểu hiện đơn giản hơn vì có ít lớp hơn

- Các giao thức TCP/IP là các chuẩn cơ sở cho Internet phát triển

Transmission Control User Datagram ICMP

Ethernet Token Bus Token Ring FDDI IEEE 802.3 IEEE 802.4 IEEE 802.5 ANSI X3T95

Hình 2.2 So sánh các kiến trúc OSI với TCP

 Nếu thông tin điều khiển được cộng vào phần sau của dữ liệu thì gọi là trailer Tất cả các giao thức đều có phần header, nhưng chỉ một vài giao thức có phần trailer

 Số liệu giữa phần header và trailer gọi là payload

 Header + Payload + Trailer (nếu có) = Đơn vị dữ liệu giao thức (Protocol Data Unit ) Trong TCP gọi là các segment, IP và UDP gọi là datagram và lớp liên kết số liệu gọi là các frame

 Protocol Data Unit của một lớp sẽ tạo thành payload của lớp thấp hơn ngay phía dưới

 Header hoặc trailer của lớp nào thì được xử lý bởi chính giao thức của lớp đó

 Mỗi header của Protocol Data Unit được định dạng thành một số trường xác định của giao thức Dạng header là một phần đặc trưng của giao thức

Đầu đề khung

Đầu đề TCP

Đầu đề

IP

 Trường header chứa: địa chỉ nguồn và địa chỉ đích, một checksum để điều khiển lỗi, số tuần tự và chiều dài của phần payload

2.2.1 TCP header

TCP nhận dữ liệu từ lớp ứng dụng, định dạng chúng thành các đơn vị

dữ liệu riêng (gọi là segment) và sau đó gửi xuống tầng dưới Khuôn dạng

gói tin TCP được mô tả [5] như hình 2.4 Ý nghĩa các trường dữ liệu cụ

Hình 2.4 Khuôn dạng gói tin TCP

Padding Urgent Pointer

U R G

A C K

P S H

R S T

F I N

S Y N

muốn nhận được, hay nói cách khác, là số thứ tự của byte cuối cùng nhận được cộng với 1

 Data offset (Độ rời phần dữ liệu – 4 bit) – Trường này báo cho phần mềm TCP trên máy nhận biết được phần tiêu đề có kích thước bao nhiêu, cũng có nghĩa là dữ liệu được bắt đầu từ vị trí nào

 Control flags ( Các cờ điều khiển – mỗi cờ 1 bit) – Các cờ này cung cấp những thông tin quan trọng về đoạn dữ liệu, gồm:

- URG: Nếu có giá trị 1, segment cần được xử lý ngay và trường con trỏ khẩn được xét đến

- ACK: Nếu có giá trị 1, trường số báo nhận được xem xét

- PSH: Giá trị1 , phần mềm TCP sẽ đẩy toàn bộ dữ liệu được gửi theo một luồng đến ứng dụng nhận

- RST: Giá trị 1, kết nối sẽ được thiết lập lại

- SYN: Giá trị 1, các số tuần tự sẽ được đồng bộ, đánh dấu bắt đầu một kết nối

- FIN: Giá trị 1, máy tính gửi đã truyền hết dữ liệu Cờ này được sử dụng để đóng một kết nối

 Window (Cửa sổ – 16 bit) – Là tham số dược sử dụng trong điều khiển luồng Cửa sổ xác định dãy các số tuần tự phát sau số tuần tự báo nhận sau cùng của máy gửi có thể truyền đi mà không chờ báo nhận

 Checksum (Kiểm tra lỗi – 16 bit) - Để kiểm tra tính đúng đắn của đoạn

dữ liệu Dùng mã kiểm soát lỗi theo phương thức CRC cho toàn bộ tiêu

đề + dữ liệu

 Urgent Pointer (Con trỏ khẩn – 16 bit) – Con trỏ độ dời chỉ đến số tuần

tự đánh dấu sự bắt đầu của thông tin khẩn trong vùng dữ liệu

 Options (Tuỳ chọn - độ dài thay đổi) – Xác định một trong các tập thiết lập tuỳ chọn