Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh dùng trạm mặt đất có antenna cỡ nhỏ (VSAT) cho vùng sâu vùng xa tại việt nam

Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh dùng trạm mặt đất có antenna cỡ nhỏ (VSAT) cho vùng sâu vùng xa tại việt nam

Nghd : TS Chu Văn Vệ - H : ĐHCN

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 13

1.1 Giới thiệu chung 13

1.2 Phần không gian 16

1.2.1 Cấu trúc 16

1.2.2 Vai trò của trạm điều khiển 17

1.2.3 Phân hệ thông tin của vệ tinh 18

1.3 Phần mặt đất 21

1.4 Phân cực của sóng mang trên tuyến thông tin vệ tinh 22

1.5 Các dải tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh 23

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tuyến thông tin vệ tinh 24

1.6.1 Giới thiệu 24

1.6.2 Trạm mặt đất và các yếu tố liên quan 24

1.6.3 Các yếu tố liên quan đường xuống và trạm thu mặt đất 27

1.6.4 Tham số của bộ phát đáp hệ thống vệ tinh ảnh hưởng đến tuyến truyền 33

CHƯƠNG 2: MẠNG VSAT DAMA TẠI VIỆT NAM 36

2.1 Đặc điểm chung của mạng VSAT 36

2.2 Trạm HUB 39

2.2.1 Phần cứng 39

2.2.2 Phần mềm 40

2.3 Trạm thuê bao xa 42

2.4 Nguyên lý hoạt động và phương thức truy cập 47

2.4.1 Kênh vệ tinh 47

2.4.2 Sử dụng băng tần 53

2.4.3 Đặc tính tổng đài của mạng VSAT 54

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG

IP - STAR 58

3.1 IP qua vệ tinh 58

3.2 Hệ thống VSAT IP và các dịch vụ trên mạng VSAT IP băng thông rộng 58

3.2.1 Vệ tinh IPSTAR 59

3.2.2 Trạm cổng 60

3.2.3 Giao tiếp không gian 63

3.2.4 Thiết bị phía thuê bao (UT) 68

3.2.5 Các ứng dụng của hệ thống VSAT IPSTAR 69

CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 78

4.1 Ưu nhược điểm của hệ thống VSAT IPSTAR 78

4.1.1 Ưu điểm của hệ thống thông tin vệ tinh băng rộng IPSTAR 78

4.1.2 Nhược điểm của hệ thống 79

4.2 Các đặc tính của đường truyền vệ tinh ảnh hưởng tới chất lượng của kết nối sử dụng giao thức TCP 79

4.2.1 Ảnh hưởng của độ trễ tới các thuật toán điều khiển tắc nghẽn 80

4.2.2 Ảnh hưởng của tích số BDP lớn 84

4.2.3 Ảnh hưởng của tỉ lệ lỗi lớn tới kết nối TCP qua vệ tinh 85

4.3 Các giải pháp cải tiến giao thức TCP 86

4.3.1 Giải pháp tăng kích thước cửa sổ khởi đầu truyền dẫn 86

4.3.2 Giải pháp TCP với tuỳ chọn SACK 90

4.3.3 Các giải pháp thông báo mất gói do lỗi 95

4.4 Dự báo nhu cầu dịch vụ qua hệ thống VSAT băng rộng 96

KẾT LUẬN 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ACK Acknowledgement Gói tin ACK được phát đi từ phía thu xác

nhận đã nhận được gói tin có số thứ tự đượcchỉ rõ trong nội dung gói ACK này

Thông báo rõ lỗi tích luỹ khi truyền tải

Codec Coder/Decoder Bộ mã hoá/Bộ giải mã

CoS Class of Service Lớp dịch vụ

CU Channel Unit Khối kênh

DAMA Demand Assigned

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo yêu cầu

DEM Demodulater Bộ giải điều chế

DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh

DIU Digital Interface Unit Khối giao diện số

Eb/No Energy Per Bit To

Noise Density Ratio

Tỷ số năng lượng bit/Mật độ tạp âm

ECM Echo Canceller Module Khối khử tiếng vọng

EIRP Equivalent Isotropic

Radiated Power

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

FDMA Frequency Division

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

FIM Facsimile Interface

Module

Mạch giao diện fax

FIN Finish Gói tin FIN được phía phát TCP sử dụng để

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền File

GEO Geostationary Earth

Orbit

Quỹ đạo địa tĩnh Vệ tinh ở quỹ đạo này có

chu kì quay xung quanh bằng chu kì tự quaycủa trái đất

HACK Header ChecKsum Tuỳ chọn tổng tiêu đề, bằng tuỳ chọn này

phía thu có thể thông báo được chính xáctiêu đề của gói tin bị lỗi

HPA High Powered

Amplifier

Bộ khuyếch đại công suất cao

HTTP HyperText Transfer

Protocol

Giao thức truyền dẫn siêu văn bản

ICC Inbound Control

Channel

Kênh kiểm soát vào

ICM Interface Converter

Module

Mạch chuyển đổi giao diện

ICMP Internet Control

MessageProtocol

Giao thức bản tin điều khiển Internet

IDU In Door Unit Khối ngoài trời

IF Intermediate Frequency Tần số trung gian

IGMP Internet Group

Management Protocol

Giao thức quản lí nhóm Internet.

IP Internet Protocol Giao thức Internet

ISN Initial Sequence

Number

Số thứ tự khởi tạo-giá trị này được phía phátTCP tạo ra và gán cho gói tin đầu tiên củakết nối

IW Initial Window Kích thước cửa sổ khởi đầu

KCM Ku-Band Converter

Module

Mạch đảo tần băng Ku

LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo thấp

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp

LQT Link Quality Test Kiểm tra chất lượng đường truyền

LRE Low Rate Encoding Mã hoá tốc độ thấp

MCU Monitor Channel Unit Khối kênh giám sát

MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo trung bình

MOD Modulater Bộ điều chế

MODEM Modulater/

Demodulater

Bộ điều chế /Giải điều chế

MTU Maximum Transfer

NM Network Management Quản lý mạng

OCC Outbound Control

Channel

Kênh kiểm soát ra

ODU Out Door Unit Khối trong nhà

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ

RG Receive Groundstation Phía mặt đất phía thu

RTT Round Trip Time Thời gian trễ vòng, được tính bằng khoảng

thời gian từ thời điểm bit cuối cùng của góitin rời khỏi phía phát cho tới thời điểm phíaphát nhận được bit đầu tiên của gói tin xácnhận trong điều kiện mạng không có tắcnghẽn

SACK Selective

Acknowlegement

Xác nhận có lựa chọn, khi sử dụng tuỳ chọnnày phía thu có thể xác nhận được nhiềuhơn một gói tin đã tới đích

SCPC Single Channel Per

Carrier

Đơn kênh trên sóng mang

SCTP Stream Control

TransportProtocol

Giao thức truyền tải điều khiển luồng

SG Sender Groundstation Phía mặt đất phía phát

SI STAR Interface Giao tiếp STAR

SMTP Simple Mail Transfer

SPC Store Programed

Control

Bộ điều khiển theo chương trình

Return Link

3 kỹ thuật truy nhập Slotted Aloha, Aloha,TDMA dùng cho hướng truyền từ trạm con

về trạm chủ

SYN Synchronize Gói tin đồng bộ Gói tin này được gửi ở thời

điểm khởi tạo kết nối để đồng bộ giữa phíaphát và phía thu

TCP Transport Protocol Giao thức truyền tải Giao thức này truyền

tải các gói tin tới đích một cách tin cậy

TCPA TCP Accelerator Bộ tối ưu TCP qua kênh vệ tinh

Multiplex

Ghép kênh phân chia thời gian

TDMA Time Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TES Telephony Earth

TRIA Transmit Receive

VCU Voice Channel Unit Khối kênh thoại

VSAT Very Small Aperture

Terminal

Trạm mặt đất dung lượng nhỏ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Hình 1.1 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh 16

Hình 1.2 Cửa sổ giữ trạm đối với vệ tinh địa tĩnh 18

Hình 1.8 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh 32

Hình 3.2 Vùng phủ sóng của vệ tinh IPSTAR tại Việt Nam 60

Hình 3.7 Cấu trúc khung của Star Link cho loại 8 kênh 66

Hình 3.12 Cấu hình dịch vụ thuê kênh riêng IP và mạng riêng VPN 73

Hình 3.14 Cấu hình cung cấp dịch vụ truyền hình hội nghị 75

Hình 3.15 Cấu hình cung cấp dịch vụ đào tạo từ xa 76

Hình 4.8 Sự cải thiện thông luợng của kết nối TCP khi không có tắc

nghẽn

87Hình 4.9 Sự cải thiện thông lượng của kết nối TCP khi có tắc nghẽn 88

Hình 4.10 Số lượng gói tin phải được phát lại ở mạng có tỷ lệ mất gói cao 89

Hình 4.12 Mô hình thực nghiệm dùng vệ tinh địa tĩnh 91

Hình 4.13 Thông lượng đạt được khi truyền các file 100 kB trong trường

hợp “no curruption”

92

Hình 4.14 Thông lượng đạt đuợc khi truyền các file 1MB,10MB trong các

trường hợp “no curruption”

Bảng 2 Dự báo phát triển các thuê bao thoại sử dụng qua hệ thống 98

thông tin vệ tinh trên toàn quốc

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Nửa cuối thế kỷ 20, cùng với sự phát triển mạnh mẽ các công nghệ viễnthông, việc ra đời và lớn mạnh của thông tin vệ tinh là tất yếu để thay thế cho các hệthống vô tuyến chuyển tiếp tiếp mặt đất Hệ thống thông tin vệ tinh có nhiều ưuđiểm nổi bật so với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp mặt đất, thể hiện ở giá thành,khả năng quảng bá và độ linh hoạt cao

Kỹ thuật thông tin vệ tinh bao gồm những công nghệ rất phức tạp bởi đặcđiểm truyền dẫn của vệ tinh là có đường truyền rất xa và độ trễ lớn Điều này cũngđồng nghĩa với việc hệ thống vệ tinh sẽ phải chịu tổn hao môi trường, tạp âm, cannhiễu Các kỹ thuật thông tin vệ tinh thông dụng nhất như xử lý băng gốc, điều chế,khuếch đại công suất, đa truy nhập, bù tổn hao, chống lỗi, …

Hệ thống VSAT (Verry Small Aperture 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 vàđiện thoại số qua vệ tinh chỉ cần sử dụng các anten có đường kính tương đối nhỏ

Sự xuất hiện của nó không ảnh hưởng tới các mạng hiện có mà còn hỗ trợ để tăng

Để đáp ứng các yêu cầu thông tin cho các vùng sâu vùng xa, Tập đoàn Bưuchính Viễn thông Việt Nam (trước đây là Tổng công ty Bưu chính viễn thông ViệtNam) từ cách đây 10 năm đã thiết lập hệ thống thông tin VSAT (với nhiều ưu điểmhơn hẳn các hệ thông thông tin mặt đất) đến hàng chục tỉnh miền núi, các hải đảo,đưa dịch vụ điện thoại đến 100% xã trong toàn quốc Ngày nay, dịch vụ đa dạngtrên cơ sở hội tụ công nghệ thông tin và truyền thông là xu thế tất yếu của thế giới

và ở Việt Nam đang được ứng dụng rộng rãi, việc dùng một hệ thống VSAT mới đadịch vụ cho các vùng sâu, vùng xa và phục vụ an ninh quốc phòng cũng như cácnhu cầu sử dụng đặc biệt là rất cần thiết Do đó việc nghiên cứu những vấn đề lýthuyết, thực nghiệm về mạng VSAT và các ứng dụng trong điều kiện Việt Nam hiệnnay có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của ngành Bưu chính Viễn thông nóiriêng và phát triển kinh tế xã hội Việt Nam nói chung Trước yêu cầu đó, đề tài

mặt đất có antenna cỡ nhỏ (VSAT) cho vùng sâu vùng xa tại Việt Nam” được lựa

chọn để nghiên cứu vừa có ý nghĩa về mặt lý luận, vừa có ý nghĩa về mặt thực tiễncao

2 Nội dung của đề tài, các vấn đề cần giải quyết

Ngoài lời nói đầu, kết luận, mục lục, phụ lục và tài liệu tham khảo, đề tàiđược kết cấu thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh và các yếu tố ảnh

hưởng

Trình bày tổng quan về hệ thống thông tin chuyển tiếp bằng vệ tinh địa tĩnhbao gồm cấu trúc trạm mặt đất và bộ phát đáp trên vệ tinh, các yếu tố bên ngoài ảnhhưởng đến chất lượng đường truyền qua vệ tinh, xu thế công nghệ

Chương 2: Mạng VSAT DAMA tại Việt Nam

Trình bày tổng quan về hệ thống thông tin VSAT DAMA và các vấn đề liênquan đến triển khai tại vùng sâu vùng xa xôi, vùng hải đảo tại Việt Nam

Chương 3 : Hệ thống thông tin vệ tinh băng thông rộng IP-STAR

Trình bày tổng quan về hệ thống thông tin VSAT IP-STAR băng rộng đa dịch

vụ các vấn đề liên quan đến triển khai tại vùng sâu vùng xa xôi, vùng hải đảo tạiViệt Nam

VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

1.1 Giới thiệu chung

Thông tin vô tuyến (Radio Communication) bằng vệ tinh ra đời nhằm mụcđích cải thiện các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, đạt được dung lượng caohơn, băng tần rộng hơn, đem lại cho khách hàng nhiều dịch vụ mới và thuận tiện vớichi phí thấp

Nói tới một hệ thống thông tin vệ tinh, chúng ta phải kể đến ba ưu điểm nổi

bật của nó mà các mạng mặt đất không có hoặc không hiệu quả bằng đó là:

antenna còn trông thấy nhau Đối với khả năng quảng bá cũng vậy, các khu vực trênmặt đất không còn nhìn thấy anttena của đài phát sẽ không thể thu được tín hiệunữa Trong trường hợp bắt buộc phải truyền tin đi xa, người ta có thể dùng phươngpháp nâng cao cột antenna, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng cáctrạm chuyển tiếp Trên thực tế người ta thấy rằng cả 3 phương pháp trên đều cónhiều nhược điểm Việc nâng độ cao của cột antenna gặp rất nhiều khó khăn vềkinh phí và kỹ thuật mà hiệu quả thì không bao nhiêu (ví dụ nếu cột antenna có caođược đến 1km thì nó cũng không thể quảng bá quá 200 km trên mặt đất) Nếutruyền sóng phản xạ tầng điện ly thì cần có công suất phát rất lớn và bị ảnh hưởngrất mạnh của môi trường truyền dẫn nên chất lượng tuyến không cao Việc xâydựng các trạm chuyển tiếp giữa hai trạm đầu cuối sẽ cải thiện được chất lượngtuyến, nâng cao độ tin cậy nhưng chi phí lắp đặt các trạm trung chuyển lại quá cao

và rất không thích hợp khi có nhu cầu mở thêm tuyến mới Tóm lại, để có thể truyềntin đi xa người ta mong muốn xây dựng được các antenna rất cao nhưng lại phải ổnđịnh và vững chắc Sự ra đời của vệ tinh chính là để thoả mãn nhu cầu đó Với vệtinh, nguời ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất

cứ một hệ thống mạng nào khác Thông qua vệ tinh INTELSAT, lần đầu tiên haitrạm đối diện trên hai bờ Đại Tây Dương đã thông tin được cho nhau Do có khảnăng phủ sóng rộng lớn cho nên vệ tinh rất thích hợp cho các phương thức truyềntin đa điểm đến đa điểm, điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đếnmột điểm trung tâm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu) [1]

Bên cạnh khả năng phủ sóng rộng lớn, băng tần rộng của các hệ thống vệtinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện đại như truyền hình số phân giảicao (High Definition TV - HDTV), phát thanh số hay các dịch vụ ISDN thông quamột mạng mặt đất (Terrestrial Network) hoặc trực tiếp đến thuê bao (Direct toHome - DTH) thông qua mạng VSAT Cuối cùng do sử dụng phương tiện truyềndẫn qua giao diện vô tuyến cho nên một hệ thống thông tin vệ tinh là rất lý tưởngcho khả năng cấu hình lại nếu cần Các công việc triển khai trạm mới, loại bỏ trạm

cũ hoặc thay đổi tuyến đều có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng với chi phí thựchiện tối thiểu

Tuy nhiên, vệ tinh cũng có những nhược điểm quan trọng đó là:

- Khoảng cách truyền dẫn xa nên suy hao lớn, ảnh hưởng của tạp âm lớn

- Giá thành lắp đặt hệ thống cao, chi phí cho trạm mặt đất tốn kém

Một hệ thống vệ tinh có thể cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ khác nhau

và ngày càng được phát triển đa dạng hơn Tuy nhiên nhìn chung thông tin vệ tinhđem lại ba lớp dịch vụ như sau:

- Trung chuyển các kênh thoại và các chương trình truyền hình Đây là sựđáp ứng cho các dịch vụ cơ bản nhất đối với người sử dụng Nó thu thập các luồng

số liệu và phân phối tới các mạng mặt đất với một tỉ lệ hợp lí Ví dụ cho lớp dịch vụnày là các hệ thống INTELSAT và EUTELSAT Các trạm mặt đất của chúngthường được trang bị antenna đường kính từ 15 30m

- Cung cấp khả năng đa dịch vụ, thoại, số liệu cho những nhóm người sửdụng phân tách nhau về mặt địa lí Các nhóm sẽ chia sẻ một trạm mặt đất và truynhập đến nó thông qua mạng Ví dụ cho lớp dịch vụ này là các hệ thống vệ tinhTELECOM 1, SBS, EUTELSAT 1, TELE - X và INTELSAT (cho mạng IBS) Cáctrạm mặt đất ở đây được trang bị antenna đường kính từ 3 10m

- Kết nối các thiết bị đầu cuối có góc mở rất nhỏ (VSAT) nhằm để truyềndẫn các luồng số liệu dung lượng thấp và quảng bá các chương trình truyền hình,truyền thanh số Thông thường người dùng sẽ kết nối trực tiếp với trạm mặt đất cótrang bị antenna đường kính từ 0.6 2.4m Các thuê bao di động cũng nằm tronglớp dịch vụ này Tiêu biểu cho loại hình này là các hệ thống EQUATORIAL,INTELNET hoặc INTELSAT, v.v Các dịch vụ của VSAT hiện đã rất phong phú

mà ta cú thể kể đến như cấp và tự động quản lý thẻ tớn dụng, thu thập và phõn tớch

số liệu, cung cấp dịch vụ thoại mật độ thưa, hội nghị truyền hỡnh,

Hỡnh dưới đõy thể hiện cấu trỳc tổng quỏt của một hệ thống thụng tin vệ tinhtrong thực tế [2] Nú cú thể chia thành hai thành phần chớnh là phần khụng gian(Space Segment) và phần mặt đất (Ground Segment)

phần không gian

Các máy thu Các máy phát

Trạm điều khiển (tt&c)

Phần mặt đất

Tuyến xuống Tuyến lên

Hỡnh 1.1: Cấu trỳc một hệ thống thụng tin vệ tinh

1.2 Phần khụng gian

1.2.1 Cấu trỳc

Phần khụng gian là khỏi niệm để chỉ một phần của hệ thống bao gồm vệ tinh

và tất cả cỏc thiết bị trợ giỳp cho hoạt động của nú như cỏc trạm điều khiển và trungtõm giỏm sỏt vệ tinh Tại cỏc trung tõm này cỏc hoạt động bỏm sỏt, đo lường từ xa

và điều khiển (TT&C - Tracking Telemetry and Command) sẽ được thực hiện nhằmmục đớch giữ cho vệ tinh cố định, đồng thời kiểm tra được cỏc thụng số hoạt độngcủa nú như nhiệt độ antenna, nguồn điện acquy, nhiờn liệu

Tuyến mà sóng vô tuyến được phát từ các trạm mặt đất đến antenna thu của

vệ tinh được gọi là tuyến lên (Uplink) Ngược lại tuyến mà vệ tinh phát tin cho cáctrạm mặt đất sẽ được gọi là tuyến xuống (Downlink) Để đánh giá chất lượng củatuyến người ta hay dùng đại lượng C/N là tỉ số giữa công suất sóng mang và côngsuất tạp âm ảnh hưởng đến sóng mang Tỉ số này trên toàn tuyến được quyết địnhbởi chất lượng của cả tuyến lên và tuyến xuống, tương ứng với các điều kiện truyềndẫn riêng ở mỗi tuyến (như môi trường trung gian, kiểu điều chế, kiểu mã hóa, tínhchất của thiết bị thu, v.v )

Vệ tinh bao gồm một phần tải hữu ích (Payload) và một phần nền (Platform).Phần Payload gồm antenna và các thiết bị điện tử phục vụ cho truyền dẫn thông tin.Phần Platform chứa các thiết bị bảo đảm cho hoạt động của phần Payload như là giá

đỡ, cung cấp nguồn điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng và quỹ đạo, cácthiết bị đẩy phản lực, thùng chứa nhiên liệu và các thiết bị TT&C Ta thấy rằngtrong quá trình hoạt động vệ tinh sẽ nhẹ dần đi do phải tiêu tốn nhiên liệu cho việcđiều khiển Để cho vệ tinh không bị mất trọng tâm thì quá trình giảm trọng lượngphải luôn phân bố đều trên toàn bộ thể tích của nó Do đó bao giờ người ta cũngthiết kế sao cho các thùng chứa nhiên liệu đối xứng với nhau qua trọng tâm của vệtinh Thực tế những thùng chứa nhiên liệu nằm trong phần Platform chiếm phần lớnkhối lượng và thể tích của các vệ tinh [2]

Độ tin cậy của phần không gian là một nhân tố quan trọng để đánh giá khảnăng hoạt động của cả hệ thống Độ tin cậy của vệ tinh phụ thuộc vào chất lượng tất

cả các thiết bị của nó Khi một vệ tinh bị hỏng thì không chỉ có nghĩa là các thiết bịcủa nó bị hỏng mà có thể là do vệ tinh đã hết tuổi thọ Một hệ thống có độ tin cậycao khi nó có các biện pháp dự phòng tốt Trong các hệ thống cao cấp, cứ một vệtinh hoạt động thì có một vệ tinh dự phòng sẵn sàng trên quỹ đạo và một vệ tinh dựphòng ở dưới mặt đất (trong kho)

1.2.2 Vai trò của trạm điều khiển

Trên lý thuyết, các vệ tinh chuyển động với các quỹ đạo có hình dạng làđường tròn hoặc đường Ellipse nhưng trong thực tế các quỹ đạo này không đượchoàn toàn như lý thuyết do vệ tinh còn phải chịu tác động của rất nhiều yếu tốkhách quan như sự thay đổi ngẫu nhiên lực hút của trái đất, lực hấp dẫn của cáchành tinh lân cận, Vì vậy ngay đối với vệ tinh địa tĩnh thì vẫn luôn có sự dao động

xung quanh vị trớ cõn bằng của nú Thờm nữa quỹ đạo của chỳng cũn bị nghiờng

(Inclined Orbit) Điều này dẫn đến trong hệ thống phải cú cỏc trạm điều khiển và

trong cỏc trạm mặt đất phải cú hệ thống bỏm

75km

Trái Đất 0.1 85km

75km

Quỹ đạo danh định của vệ tinh địa tĩnh

Đ ờng Xích Đạo Độ tr ợt vệ tinh: Bắc Nam (NS) Đông Tây (EW) Độ lệch tâm : 0.001 0.05 Hỡnh 1.2 : Cửa sổ giữ trạm đối với vệ tinh địa tĩnh

Sự dao động của vệ tinh địa tĩnh xung quanh vị trớ tương đối rừ ràng sẽ làm

cho thời gian truyền dẫn giữa trạm và vệ tinh luụn bị thay đổi Đồng thời nú cũn

gõy ra hiệu ứng Doppler đối với súng mang Tất cả những ảnh hưởng này đều gõy

nờn những khú khăn cho quỏ trỡnh truyền dẫn và đồng bộ của hệ thống, nhất là

trong cỏc hệ thống truyền dẫn số (Digital Transmission) Ngoài ra trạm điều khiển

cũn cú chức năng giữ antenna thu phỏt của vệ tinh luụn hướng về vựng phủ súng

trờn mặt đất Hoạt động của trạm điều khiển dựa trờn cơ sở cỏc thụng tin đo đạc

nhận từ rất nhiều bộ cảm biến (sensor) đặt trờn vệ tinh [2]

1.2.3 Phõn hệ thụng tin của vệ tinh

Trờn một vệ tinh thường cú hai phõn hệ, đú là phõn hệ thụng tin gồm tất cả

cỏc thiết bị phục vụ cho việc truyền dẫn tin tức và phõn hệ điều khiển cú nhiệm vụ

đo lường cỏc thụng số làm việc và điều chỉnh lại cỏc thụng số này khi cú lệnh từ

mặt đất Cấu trỳc của phõn hệ thụng tin cú thể được biểu diễn tổng quan bằng sơ đồ

khối sau đõy (Hỡnh 1.3)

1.2.3.1 Bộ khuếch đại tạp õm thấp LNA

Trong sơ đồ trờn LNA là bộ khuếch đại tạp õm thấp (Low Noise Amplifier)

được đặt ngay sau antenna thu ARx cú nhiệm vụ khuếch đại biờn độ điện ỏp tớn hiệu

thu với mức tạp âm ký sinh rất nhỏ Bộ LNA của vệ tinh thường là kiểu có làm lạnhbằng Nitrogen lỏng hoặc hiệu ứng nhiệt điện Peltier Bộ LNA của vệ tinh cũnggiống với bộ LNA của các ES

Hình 1.3: Phân hệ thông tin của vệ tinh

1.2.3.2 Bộ đổi tần FC (Frequency Converter )

Sau khi đã được khuếch đại về biên độ, tín hiệu thu ở tuyến lên sẽ được trộnvới một tần số chuẩn FLO được tạo ra bởi bộ dao động (OSC -Ocsillator) đặt ngaytrên vệ tinh Tần số sinh ra ở đằng sau bộ trộn (MIX) là tổ hợp giữa tần số tín hiệu ởtuyến lên FU và tần số ngoại sai FLO Do tần số sóng mang của tuyến lên bao giờcũng cao hơn tuyến xuống cho nên bộ đổi tần của vệ tinh thường là bộ đổi tầnxuống (Down Convertor) Nguyên tắc của việc trộn tần là dựa vào đặc tính truyềnđạt không tuyến tính của các thiết bị bán dẫn, ví dụ như một Diode, để sinh ra các tổhợp tần số mới từ hai tần số ở đầu vào (FU và FLO) Nguyên tắc này có thể giảithích một cách đơn giản như sau [10]:

- Giả sử tín hiệu đầu vào có dạng: I (t)= Acos[(2FUt) + U]

và tín hiệu ngoại sai có dạng: LO(t) = Bcos[(2FLOt) + LO]

- Sau khi qua bộ trộn tín hiệu đầu ra sẽ là O(t) = I(t)LO(t) Do đó:

O(t) = ABcos[(2FUt) + U] cos[(2FLOt) + LO]

O(t) = (AB/2){cos[2(FU + FLO)t + U + LO] + cos[2(FU - FLO)t + U - LO]}

Như vậy tại đầu ra của bộ trộn ta có tín hiệu O(t) với biên độ AB/2 bao gồmhai thành phần tần số là FU + FLO và | FU - FLO| Bằng các bộ lọc ở đầu ra của bộđổi tần ta có thể chọn lấy một thành phần tần số mà ta mong muốn Trong thông tin

vệ tinh thường người ta chọn thành phần tần số hiệu và FLO lớn hơn FU Do đó ta

có FD=FLO - FU Ví dụ đối với băng C thì FU=6GHz nên FLO phải bằng 10GHz

để FD=4GHz Ta cũng nhận thấy rằng khi chọn pha LO của LO(t)= 0 thì pha của tínhiệu sau khi qua bộ đổi tần sẽ không đổi và bằng U nên nó không gây trở ngại chocác quá trình xử lí phía sau đặc biệt là việc giải điều chế dịch mức pha (PSK - PhaseShift Keying) Tóm lại nếu giả sử thành phần tín hiệu đầu vào I(t) và thành phần tínhiệu ngoại sai LO(t) có dạng như trên thì tại đầu ra của bộ đổi tần ta sẽ có tín hiệuO(t) là: O(t) = Kcos[2(FLO - FU)t + U] (với LO=0 và K=AB/2)

1.2.3.3 Bộ khuếch đại tiền công suất PPA và bộ phân chia HIBRID

Bộ khuếch đại tiền công suất PPA (Prior Power Amplifier) có chức năngkhuếch đại sơ bộ công suất tín hiệu đi ra từ bộ đổi tần tới mức đủ lớn để có thể phânchia cho các Transponder Việc phân chia này được thực hiện nhờ bộ HIBRID gồm

có n đầu ra tương ứng với số Transponder của vệ tinh Công suất tại mỗi đầu ra của

bộ HIBRID do đó nhỏ hơn n lần so với công suất tại đầu vào của nó

1.2.3.4 Các bộ phát đáp (Transponder)

Băng tần rất rộng của vệ tinh được chia làm các băng nhỏ hơn (ví dụ rộngkhoảng 40 MHz) Mỗi băng này được phân phối cho mỗi bộ phát đáp của nó còngọi là kênh vệ tinh (Satellite Channel) Mỗi một kênh vệ tinh lại có thể mang rấtnhiều kênh số liệu và kênh thoại từ những người sử dụng Trên thực tế do phải cókhoảng bảo vệ giữa các bộ phát đáp cho nên dải tần thực tế mà các bộ phát đáp sửdụng thường nhỏ hơn (36MHz) Các bộ phát đáp có vai trò như là các kênh chuyểntiếp thông tin Chúng làm việc trong những dải tần riêng nhờ các bộ lọc thông dảiBPF đặt ngay tại đầu vào Sau khi xử lí bù như bù trễ, bù tần số tín hiệu trong mỗi

bộ phát đáp sẽ được đưa qua bộ khuếch đại công suất cao HPA ở đầu ra để khuếchđại đủ lớn trước khi phát lại ở hướng xuống Bộ HPA của mỗi kênh vệ tinh thường

là loại đèn sóng chạy TWTA với độ dự phòng 5:1 và hiện nay đã bắt đầu sử dụngloại HPA bán dẫn SSPA Dễ nhận thấy rằng trong trường hợp hệ thống dùng kỹthuật sử dụng lại tần số (Reuse) thì sơ đồ hình 3 mới chỉ là một nửa phân hệ thôngtin của vệ tinh dành cho một phân cực Nửa còn lại của phân cực kia có sơ đồ tươngtự

1.2.3.5 Bộ ghép công suất (MUX):

Trước khi ra antenna phát ATx tín hiệu của các Transponder ở các băng tầncon khác nhau phải được ghép lại với nhau Yêu cầu ghép phải đảm bảo làm saocho sự can nhiễu giữa các kênh vệ tinh là thấp nhất và mức công suất của chúng

số lượng hạn chế người dùng Hiện nay, các dịch vụ VSAT đang rất phổ biến vàphát triển nên các trạm mặt đất VSAT được rất nhiều quan tâm nghiên cứu.

Các trạm mặt đất có thể phân biệt theo kích cỡ của chúng Kích cỡ này phụthuộc vào dung lượng truyền tải và kiểu tin tức của mỗi trạm (thoại, truyền hình hay

số liệu) Các trạm lớn nhất được trang bị antenna đường kính 30m như các ES tiêuchuẩn A của hệ thống INTELSAT thế hệ cũ Các trạm nhỏ nhất antenna chỉ có 0.6

m ví dụ như các trạm thu truyền hình trực tiếp từ vệ tinh Nhìn chung do kỹ thuậtngày càng phát triển nên kích cỡ của các ES ngày càng nhỏ lại Ví dụ hiện nay trạmchuẩn A của INTELSAT chỉ cần có antenna đường kính từ 15 đến 18m

Các trạm mặt đất thường có cả máy phát và máy thu để trao đổi tin tức với vệtinh Một số trạm khác chỉ có máy thu như trong trường hợp trạm khai thác các dịch

vụ quảng bá từ vệ tinh hoặc là trạm phân phối các dịch vụ truyền hình và số liệu tớikhách hàng Hình 1.4 cho ta thấy cấu trúc tổng quan của một trạm mặt đất thôngdụng

Kỹ thuật về trạm mặt đất đặc biệt quan trọng cho những người khai thác hệthống thông tin vệ tinh bởi vì nó gắn liền với họ Các thông số của trạm mặt đất, cáctính chất tín hiệu và các quá trình xử lí tín hiệu tại trạm mặt đất như là ghép kênh,gây méo trước, giải méo trước, nén giãn, mã hoá, chống lỗi, phân tán công suất, bảomật (encryption), [2]

Khèi gi¶i ®iÒu chÕ trung tÇn

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một trạm mặt đất 1.4 Phân cực của sóng mang trên tuyến thông tin vệ tinh

Sóng điện từ bao giờ cũng có một thành phần điện trường và một thành phần

từ trường có hướng vuông góc nhau và vuông góc với phương truyền sóng Theoquy ước, phân cực của sóng được định nghĩa bởi hướng của vector cường độ điệntrường Nói chung hướng của điện trường không cố định và biên độ của nó cũngkhông phải là hằng số Khi truyền sóng điện từ, đầu mút của vector cường độ điệntrường thường vạch ra một hình ellipse do đó gọi là phân cực ellipse [2]

Phân cực của sóng điện từ có 3 thông số cơ bản sau:

- Hướng quay vector cường độ điện trường: theo tay phải hoặc theo tay trái(tức là cùng hoặc ngược chiều kim đồng hồ - Clockwise or Counter Clockwise)

- Tỉ số trục AR (Axial Ratio): AR=EMAX/EMIN là tỉ số giữa trục lớn vàtrục nhỏ của ellipse phân cực Khi AR=1 hay 0dB thì đường ellipse trở thành đườngtròn và phân cực được gọi là phân cực tròn Khi AR=  thì đường ellipse trở thànhmột đường thẳng và phân cực được gọi là phân cực thẳng

- Khi dùng công nghệ truyền dẫn sử dụng lại tần số (Reuse) thì người ta phảidùng đến hai sóng mang có phân cực vuông góc nhau vì lúc đó không thể phân biệtsóng mang qua tần số Hai sóng điện từ được gọi là vuông góc nhau khi chúng cócác ellipse phân cực vuông góc nhau hay độ nghiêng  của 2 ellipse lệch nhau 90

Nhiều khi ở những tuyến gây xuyên cực lớn người ta phải sử dụng thêm sựphân biệt về chiều quay vector cường độ điện trường Một sóng mang quay theo tayphải còn sóng mang vuông góc với nó quay theo tay trái Đặc biệt khi sử dụng phâncực tròn thì chỉ có thể phân biệt về chiều quay của vector phân cực Khi đó sóngmang có vector E quay theo tay phải gọi là

RHCP (Right Hand Circular Polarisation) và

sóng mang có vector E quay theo tay trái gọi

là LHCP (Left Hand Circular Polarisation)

Các phân cực tròn LHCP và RHCP hiện

đang được dùng rất phổ biến trong thông tin

vệ tinh, đặc biệt trong các hệ thống dùng lại

tần số

Hai phân cực thẳng gọi là vuông góc nhau khi có một phân cực hướng theochiều thẳng đứng (Vertical), phân cực kia hướng theo chiều nằm ngang (Horizontal)trong một hệ quy chiếu nào đó

1.5 Các dải tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh

Để phân phối tần số người ta chia thế giới ra làm ba khu vực như sau:

- Khu vực 1: bao gồm Châu Âu, Châu Phi vùng Trung Đông và Nga

- Khu vực 2: bao gồm các nước Châu Mỹ

- Khu vực 3: bao gồm các nước Châu á trừ vùng Trung Đông, Nga và ChâuĐại Dương

Tần số phân phối cho một dịch vụ nào đó có thể phụ thuộc vào khu vực.Trong một khu vực một dịch vụ có thể được dùng toàn bộ băng tần của khu vực nàyhoặc phải chia sẻ với các dịch vụ khác Các dịch vụ cố định sử dụng các băng tầnsau:

- Khoảng 6GHz cho tuyến lên và 4GHz cho tuyến xuống được gọi là băng6/4 GHz hay băng C Băng tần này được các hệ thống cũ sử dụng, ví dụ như hệthống INTELSAT, các hệ thống nội địa của Mỹ, và hiện nay đã có xu hướng bãohòa

- Khoảng 8GHz cho tuyến lên và 7 GHz cho tuyến xuống được gọi là băng8/7 GHz hay băng X Băng tần này được dành riêng cho chính phủ sử dụng

- Khoảng 14GHz cho tuyến lên và 11 hoặc 12GHz cho tuyến xuống đượcgọi là băng 14/12GHz - 14/11GHz hay băng Ku Băng tần này được các hệ thốngmới hiện nay sử dụng ví dụ như hệ thống EUTELSAT, TELECOM I và II, v.v

- Khoảng 30GHz cho tuyến lên và 20 KHz cho tuyến xuống được gọi là băng30/20GHz hay băng Ka Băng tần này hiện nay mới chỉ sử dụng cho các hệ thốngcao cấp, các cuộc thử nghiệm và dành cho tương lai

- Các băng tần cao hơn 30GHz hiện đang được nghiên cứu và chắc chắn sẽđược dùng rất phổ biến trong tương lai

Các dịch vụ di động dùng vệ tinh sử dụng băng tần khoảng 1.6GHz chotuyến lên và 1.5GHz cho tuyến xuống Băng tần này được gọi là băng 1.6/1.5 GHzhay băng L

Các dịch vụ quảng bá qua vệ tinh chỉ có tuyến xuống và sử dụng băng tầnvào khoảng 12GHz

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng tuyến thông tin vệ tinh [2] [10]

1.6.1 Giới thiệu

Mục đích của phân tích hệ thống đường truyền thông tin là nhằm đạt đượckết quả cao của một tín hiệu khi nó được truyền từ một trạm này đến một trạm khác.Bởi vì một đường truyền vệ tinh tín hiệu sẽ bị suy yếu trong quá trình truyền do ảnhhưởng của không khí, nhiệt độ, tầng điện ly và độ nhiễu giữa cung đoạn trái mặt đất

và vệ tinh Tuy nhiên nhìn chung thông số đường lên, xuống vệ tinh là những ảnhhưởng chính Chúng ta xét đường truyền vệ tinh cơ bản được chia làm ba phần:

- Trạm phát mặt đất và các yếu tố liên quan với đường lên

- Hệ thống vệ tinh

- Các yếu tố liên quan với đuờng xuống và trạm thu mặt đất

1.6.2 Trạm mặt đất và các yếu tố liên quan

1.6.2.1 Hệ số tăng ích anten

Anten có nhiệm vụ định hướng tín hiệu từ máy phát tới vệ tinh với hiệu xuấtcao nhất, sau đó tín hiệu được khuyếch đại rồi phát lại tới những trạm thu khác Nếunguồn này không định hướng thì nó sẽ bức xạ phân tán

Để định hướng tín hiệu, ở anten có hệ số tăng ích được tính như sau:

GdBi = 10*log + 20*log + 20*log D + 20.4dB (1)

Hệ số tăng ích 1m2 anten với hiệu suất 100% là:

Trong đó:  là hiệu suất anten

D là đường kính anten

1.6.2.2 Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương (EIRP)

Nguồn công xuất cao tần bức xạ trên một đơn vị góc cố định của anten vô

hướng được tính bằng: PT / 4 (W)

Đối với anten định hướng, giá trị tăng ích của anten phát là GT thì công suất

phát xạ trên một đơn vị góc được tính:

PT GT/ 4 (W)

Hệ số tăng ích anten (GT )là tham số chính, ảnh hưởng đến hiệu quả của việc

sử dụng nguồn năng lượng cao tần (RF) từ máy phát

Tích PT GTđược gọi là công xuất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP)

Do vậy EIRP được hiểu như là hàm của hệ số tăng ích anten phát GT và công suất

phát PT của anten phát

Trong đó: PT là công suất phát tính bằng W

GTlà hệ số tăng ích phát

EIRP phải được điều chỉnh thật chính xác bởi vì EIRP cao sẽ gây nhiễu sóng

mang phụ cận, còn nếu EIRP thấp sẽ cho chất lượng tín hiệu kém đi

P

GT=1

Hình 1.6: Anten vô hướng

Công xuất bức xạ trên một đơn

vị góc cố định (unit solid angle): PT/4

P

Kho¶ng c¸ch R

Hệ số bức xạ tại vùng diện tích A khoảng cách R: A/R2

ảnh hưởng lên một đơn vị điện tích A của bề mặt anten thu đặt cách anten phát mộtkhoảng cách R, hệ số bức xạ là A/R2 Công suất thu được là:

Pr= (PT*GT/4)(A/R2)= A (W) Đại lượng  = (PT*GT/4R2) được gọi là “mật độ phổ công suất” đượctính bằng đơn vị W/m2

1.6.2.3 Suy hao truyền dẫn và suy hao không gian tự do

Nếu một anten đẳng hướng phát xạ công suất PT, nguồn tín hiệu sẽ phân bổtheo hình cầu trong đó anten là tâm Mật độ công xuất bức xạ ở khoảng cách R sovới điểm truyền dẫn được xác định theo phương trình sau:

W Cường độ bức xạ tại khoảng cách R

R Khoảng cách tại các điểm trong không gian tự do 71dB được tính từ 10log(4 * 106)

Khi anten thu ”nhận” tín hiệu, số lượng tín hiệu nhận được sẽ phụ thuộc vàokích cỡ của anten

Công suất đầu thu sẽ là:

Tính theo đơn vị dB:

L0 = 20logR + 20log  + 92.5 dB (10)Trong đó:  là tần số hoạt động tính băng Ghz

92.5dB là hằng số tính từ 20log[(4*109*103)]

Phương trình (9) được biểu thị theo dB:

Ở phương trình này nếu GR là hệ số tăng ích cho 1m2 anten với hiệu suất100% PR sẽ trở thành cường độ bức xạ trên 1 đơn vị, vì vậy cường độ bức xạ trongphương trình (6) được biến đổi là:

1.6.2.4 Khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất

Khoảng cách R từ vệ tinh tới trạm mặt đất có thể tính :

R = [r2 + S2 - 2rS(Cos C )]1/2 (13)Trong đó: r: Bán kính quỹ đạo trái đất (6,378.14km)

S: Bán kính vệ tinh quỹ đạo đồng bộ địa tĩnh (42,164.57km)

Với tần số trong khoảng 1Ghz đến 10Ghz thì khoảng suy hao kết hợp giữamưa và tầng điện li là không đáng kể Tần số càng cao (lớn hơn10Ghz) thì sự suyhao do mưa càng lớn

1.6.3 Các yếu tố liên quan đường xuống và trạm thu mặt đất

1.6.3.1 Trị số G/T ( Đặc trưng độ nhạy máy thu)

Trong các hệ thống truyền dẫn, nhiễu là ảnh hưởng lớn nhất đối với chấtlượng của đường truyền G/T dB/K được xem như là độ phẩm chất cho hệ thống thu

Vệ tinh thông tin yêu cầu giá trị G/T cụ thể cho các tiêu chuẩn trạm mặt đất đượcđưa ra trong tiêu chuẩn IESS Điều này cũng có nghĩa là các trạm không gian cầncung cấp những thông số G/T cần thiết cho trạm mặt đất Vệ tinh thông tin sẽ cungcấp đầy đủ yêu cầu kỹ thuật để đáp ứng những đặc tính của mọi dịch vụ

1.6.3.2 Nhiệt tạp âm

Là tạp âm do chuyển động hỗn loạn của các điện tích gây ra Mặc dù tạp âmtrong thông tin vệ tinh do nhiều nguồn tạo ra nhưng công suất của nó rất nhỏ Nhiệttạp âm dùng làm đơn vị thuận tiện để biểu thị công suất nhiệt tạp âm T theo côngthức:

Trong đó: (KTB)*G : Độ nhiễu đầu vào trạm thu, nhiều bộ phận qua hệ sốtăng ích nơi nhận và được điều chỉnh đầu ra nơi thu

N: Độ nhiễu đầu ra nơi thu N = KTeB

Te: Là nhiệt tạp tương đương nơi thu Te = (F-1)T0 (16)F: số nhiễu trong 1 đơn vị

T0: Nhiệt độ tuyệt đối (290 Kelvin)

1.6.3.3 Nhiệt hệ thống

Nhiệt tạp âm hệ thống của một trạm mặt đất bao gồm: Nhiệt tạp âm đầu thu,nhiệt tạp âm của anten (Tant), kể cả feed, ống dẫn sóng và nhiễu bầu trời đều tácdộng đến hệ thống thu của anten

Tsystem = Tant /L + (1 - 1/L)*T0 + Te (17)Trong đó: L: Hệ số suy hao feed

Tant: Nhiệt tạp âm anten phátPhương trình này cho thấy feed và ống dẫn sóng có ảnh hưởng rất lớn đến hệthống nhiệt tạp âm

1.6.3.4 Tính tỷ số G/T

Sau tất cả tính toán trên cho thấy dễ dàng tính được:

Khi hệ số tăng ích anten là tần số độc lập thì G/T phải đơn giản hoá tần số đãbiết (thường là 4 hoặc 11 Ghz) bằng cách áp dụng phương trình (18) 20*logf/f0 (f0

là 4 hoặc 11 Ghz) ở đây f là tần số đo bằng Ghz

1.6.3.5.Tỷ số sóng mang trên nhiễu

Một trong những thông số tính toán một đường truyền là công suất sóngmang thu được trên công suất tổng nhiễu đầu thu (C/N) được định nghĩa là:

C/N0 dBHz = EIRPdB – L0 dB +G/TdB/K – 10logK (22)

Để đơn giản hoá có thể tính cho sóng mang trên nhiệt tạp âm

C/TdB/K = EIRPdB – L0 + G/TdB/K (23)Với cường độ bức xạ truyền dẫn W có thể được tính:

C/TdB/K = WdBW/m2 + G/T dB/K – G1m2 (24)

1.6.3.6 Phân bổ nhiễu khác (Other noise contribution)

Để tính được tổng độ nhiễu của đường truyền và từ đó có thể tính được chấtlượng đường truyền Thì tất cả phân bổ độ nhiễu ở các nguồn khác nhau phải đượctính đến

Ví dụ nhiễu xuyên điều chế (Intermodulation noise) ở HPA(C/THPAIM) củatrạm mặt đất, ở khuyếch đại đầu ra của vệ tinh (C/TSATIM), nhiễu do phân cực hoátín hiệu trong các mạng giống nhau (C/TCo) và nhiễu do vệ tinh (C/Tup) cũng như

độ nhiễu do đường xuống trạm thu (C/TDOWN) Thông tin vệ tinh được đưa ra từbảng IESS410 và những thông tin này được đổi sang C/T bằng các cách:

- Độ nhiễu xuyên điều chế (Intermodulation noise) trong bộ khuyếch đạicông suất vệ tinh:

Thông tin trong bảng IESS410 cho mọi bức xạ vệ tinh giá trị này được đưa

ở dB/4Khz, để chuyển đổi sang C/T chúng ta có dùng công thức:

C/TSATIM = EIRPSAT - (giá trị SATIM) + 10log4Khz - 228.6 dBW/K (25)

Trong đó: EIRPSAT = EIRP sóng mang giá trị SATIM: là giá trị nhiễuxuyên điều chế tạo ra ở bộ phát đáp vệ tinh

- Nhiễu xuyên đều chế từ các tín hiệu phân cực trực giao:

Thông tin về độ nhiễu hợp kênh được đưa ra ở bảng IESS410 cho mọi bức

xạ vệ tinh Giá trị này đưa ra tỷ số sóng mang trên nhiễu (C/I) dB

Do đó để chuyển đổi sang C/T ta phải sử dụng:

C/TCo = C/IdB + 10log (BW chiếm trong sóng mang) - 228.6 db (26)

Ở đây BW chiếm trong sóng mang xác định sóng mang cần tính toán

- Nhiễu xuyên đều chế trong HPA trạm mặt đất

Giá trị này được chuyển đổi nếu độ lùi HPA thấp hơn 7dB trong bộ hoạtđộng đa sóng mang (multicarrier operation)

Ở đây tiêu chuẩn IESS phải đáp ứng:

EIRPIM 4Khz = EIRPIM - 10log(IM băng tần 4Khz) (27)

C/TIM E/S = EIRP(sóng mang đã kiểm tra)- EIRPIM4Khz + 10log4Khz -228.6dB (28)

Trong đó: EIRPIM là EIRP nhiễu xuyên điều chế đã điều chỉnh ở đầu ra HPA

EIRPIM4Khz : EIRP nhiễu xuyên điều chế được đổi sang độ rộng băng tần 4Khz

Ví dụ: tính EIRP IM: Với EIRP sóng mang = 63.9 dBW

a Can nhiễu với đường thông tin viba trên mặt đất

Có hai trường hợp một đường thông tin viba trên mặt đất can nhiễu với một

hệ thống thông tin vệ tinh

Trường hợp 1: Đường thông tin viba mặt đất có cùng tần số làm việc vớiđường lên của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy tín hiệu viba mặt đất được trộnvới tín hiệu đầu vào máy thu vệ tinh

Trường hợp 2: Hai đường thông tin mặt đất có tần số bằng tần số đườngxuống của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy ở đầu vào máy thu trạm mặt đất cũng

bị trộn với tín hiệu của đường thông tin viba mặt đất

Trong trường hợp đầu anten của đường thông tin mặt đất được điều khiểnsao cho không hướng vào quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh, như vậy can nhiễu được giảmnhỏ ở trường hợp sau, có thể có khả năng phát sinh can nhiễu mạnh lên hệ thốngthông tin vệ tinh, phụ thuộc vào vị trí các trạm mặt đất

Ở trên đề cập đến can nhiễu của đường thông tin viba mặt đất với hệ thốngthông tin vệ tinh Ngược lại, can nhiễu giữa hệ thống thông tin vệ tinh với đườngviba trên mặt đất cũng là một vấn đề Đặc biệt là khi máy phát của trạm mặt đất làmviệc ở cùng tần số với đường thông tin viba mặt đất, có khả năng một tín hiệu cannhiễu mạnh sẽ trộn lẫn với tín hiệu đường thông tin mặt đất

b Sự can nhiễu với vệ tinh bên cạnh:

Hình vẽ dưới đây cho ta thấy can nhiễu xảy ra giữa các hệ thống thông tin vệtinh Nếu chúng ta xem xét tín hiệu can nhiễu từ hệ thống vệ tinh 1 lên hệ thống vệtinh 2, can nhiễu xảy ra nếu bức xạ cách trục chính  từ trạm mặt đất 2 chiếu vào vệtinh 1 và anten thu của vệ tinh 1 cũng nhạy cảm với hướng trạm mặt đất 2 trênđường lên

Trong khi đó đường xuống can nhiễu xảy ra khi anten phát của vệ tinh 2cũng chiếu vào trạm mặt đất 1 và anten thu của trạm mặt đất 1 cũng thu được ởhướng của vệ tinh 2

Công suất của sóng can nhiễu giảm khi góc tăng và hệ số tăng ích của antentrạm mặt đất giảm Tỷ số công suất của sóng hữu ích trên sóng can nhiễu giữa các

hệ thống thông tin vệ tinh trong thực tế có thể đạt 30dB (1000lần) hoặc lớn hơn khihai vệ tinh đặt cách nhau khoảng 20 trên quỹ đạo, ngay cả nếu các anten của chúngcùng chiếu vào một vị trí [2]

c Tạp âm

Tạp âm được hiểu là tín hiệu không mong muốn có trong luồng tín hiệu thu

về, tạp âm làm giảm chất lượng thông tin, ví dụ như tạp âm làm giảm tỷ số tín hiệutrên nhiễu S/N, hoặc làm giảm tỷ số sóng mang trên tạp âm, tăng tín hiệu lỗi bítđường truyền Trên thực tế đối với các hệ thông tin khác thì tạp âm thường rất nhỏ

so với tín hiệu hữu ích, nhưng trên tuyến thông tin vệ tinh, tín hiệu hữu ích thu đượcthường rất nhỏ, trong khi đó tạp âm thì lại rất lớn do khoảng cách truyền của thôngtin rất dài (khoảng cách 37000km) Tạp âm còn được góp nhặt bởi anten từ môitrường truyền sóng, suy hao do mưa Tín hiệu thu về xem như bị chìm trong tạp âm

Vì thế nghiên cứu tạp âm là một vấn đề rất quan trọng không thể thiếu trong thôngtin vệ tinh

- Tạp âm vũ trụ: Tạp âm vũ trụ hình thành do nhiễu bức xạ cao tần từ các dải

ngân hà, phát xạ của mặt trăng, tác động mạnh ở dải tần dưới 10GHz

- Tạp âm khí quyển: Ôxy, ni tơ, hơi nước, sương mù, có trong khí quyển hấp

thụ năng lượng sóng điện từ có tần số xấp xỉ bằng tần số dao động của các phần tửkhí nói trên khi sóng điện từ truyền qua nó, chính sự hấp thụ này làm cho sóng điện

§ êng tÝn hiÖu mong muèn

§ êng tÝn hiÖu can nhiÔu

Hình 1.8: Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh.

từ bị suy yếu đi và tạp âm cũng sinh ra từ đó Trong thông tin vệ tinh dải tần từ 1đến 10Ghz khi góc ngẩng của anten dưới 5o thì mức suy hao do ảnh hưởng tầng đốilưu sẽ nhỏ hơn 1,5dB Suy hao do mây mù vào khoảng 1dB trong dải tần 4-6Ghz(băng C) và suy hao khoảng 3dB trong dải tần 7Ghz và nhỏ hơn 6dB ở dải tần10Ghz

- Tạp âm do mưa: Sóng điện từ không những bị suy hao do mưa mà còn

cộng thêm tạp âm sinh ra do các bức xạ siêu cao của mưa, thêm vào đó nhiệt độnước mưa cũng là nguồn tạp âm nhiệt Có thể nói trong các nguồn tạp âm trongthông tin vệ tinh thì tạp âm do mưa sinh ra cần phải lưu ý nhất Do đó trong tínhtoán tuyến truyền thông tin vệ tinh, để đảm bảo chất lượng thông tin người ta phải

có tính toán đến sự dự trữ cho mưa và đây cũng là một bài toán rất phức tạp

- Tạp âm trái đất: Mặt đất phản xạ sóng điện từ đối với các búp sóng phụ của

anten trạm mặt đất, các búp sóng phụ này gây ra tạp âm ảnh hưởng trực tiếp từ mặtđất và tạp âm khí quyển từ phản xạ từ mặt đất Nhiệt độ tạp âm do ảnh hưởng củatrái đất trong khoảng từ 3-25°K

- Tạp âm nhiệt: Tạp âm sinh ra do hoạt động ngẫu nhiên của các điên tử tự

do của các vật dẫn điện, khi chuyển động các điện tử này va chạm với các nguyên

tử và sinh ra tạp âm nhiệt, Mặc dù khi các vật dẫn hở mạch, các điện tử chuyểnđộng hỗn loạn vẫn sinh ra tạp âm nhiệt

1.6.4 Tham số của bộ phát đáp hệ thống vệ tinh ảnh hưởng đến tuyến truyền

Khi phân tích đường truyền cho vệ tinh ta phải tính đường truyền cho tuyếnlên, tuyến xuống và tại hệ thống vệ tinh Tính toán đường truyền tại hệ thống vệtinh chủ yếu là ở bộ phát đáp, thu nhận đường truyền tuyến lên rồi phát đáp xuốngtrạm thu bằng phương tiện đường xuống

Bộ phát đáp vệ tinh thực hiện chức năng phát lại tín hiệu điện từ Chúngnhận tín hiệu từ trạm phát sau đó khuyếch đại, đổi tần rồi truyền lại trạm thu mặtđất Nguồn từ vệ tinh được chia ra nhiều trạm mặt đất với những chuẩn khác nhau(A, B, C, D, E và F) và theo đó là những vệ tinh khác nhau Với độ rộng băng tần51.2 Khz (cho sóng mang 64kbit/s với 3/4 FEC) cho một bộ phát đáp

Theo độ rộng băng tần, các thông số được chia ra là:

A Mật độ bão hoà (dBW/m2)

B Tỷ số G/T nhận (dB/ K)

C EIRP bão hoà ( dBW)

Mật độ bão hoà là tổng mật độ phát ra ở nguồn chuyển tới vệ tinh từ trạmphát mặt đất, nơi phát ra EIRP bão hoà tới vệ tinh

1.6.4.1 Điểm hoạt động của bộ phát đáp

Vì khuyếch đại công suất đầu ra bộ phát đáp phải là bộ tuyến tính Nó phảiđược hoạt động như điểm bão hoà để tránh biến dạng phi tuyến Do vậy đầu vào và

độ lùi đầu ra (input and output back off) phải đạt được điểm Đây là một sự lãng phínguồn có sẵn trong TWTA chính Hai phương pháp sử dụng để tối thiểu hoá nguồnlãng phí do độ lùi đầu vào (back off) Phương pháp một là sử dụng SSPA như làkhuyếch đại nguồn ra Phương pháp hai là khi áp dụng nguồn cao cần phải sử dụngcác TWTA Nhưng khi sử dụng TWTA thì cần phải sử dụng đến hiệu chỉnh đườngnét Cả hai đều tăng đặc trưng hệ phát đáp IM

Độ lùi đầu vào IBO (input backoff) là tỷ số của mật độ thông lượng hoạtđộng của sóng mang đưa đến

Độ lùi đầu ra OBO (output backoff) là tỉ số của EIRP bão hoà trên EIRP hoạtđộng của sóng mang đưa đến

Độ lùi đầu ra bão hoà được tính theo:

Trong đó: X là tỷ số nén hệ số tăng ích giữa độ lùi đầu ra và đầu vào Giátrị này khác với một sóng mang đơn và đa sóng mang hoạt động Giá trị này lấy ởchuẩn IESS410

Ví dụ: X= 5.5 dB cho 1 TWTA trong INTELSAT VI HEMI/HEMI

X= 1.8 dB cho 1 SSPA trong INTELSAT VII HEM/ZONE(và trong một số trường hợp của INTELSAT VI)

X= 1.7 dB cho 1 LTWTA trong INTELSAT VII-A ku sport

1.6.4.2 EIRP hoạt động của bộ phát đáp

EIRP vệ tinh hoạt động (EIRPop) được tính theo phương trình (30):

TWTA transfer characteristic

1.6.4.3 Mật độ thông lượng công suất vệ tinh ở bề mặt trái đất

Thế nhiễu tạo ra bởi một vệ tinh phát và hạn chế tối đa hoá mật độ thônglượng công suất đưa ra ở một số vệ tinh tại bề mặt trái đất Việc hạn chế vùng này

sẽ thay đổi được chức năng của góc mở Bảng dưới đây cho thấy mật độ thônglượng công suất (PAD) giới hạn ở bề mặt trái đất như là hàm của góc mở và đượcxét ở độ rộng băng tần 4Khz

Ở mọi trường hợp có thể đánh giá được bằng cách áp dụng công thức:

Trong đó: W: Cường độ bức xạ tính cho đường xuống

B: Độ rộng băng tần chiếm trong sóng mang

Băng tần Mật độ thông lượng công suất tối đa (dBW/m2)

(Ghz) 0<  < 5 5<  < 25 25<  < 90 Băng chuẩn

3.4 - 7.75 -125 -150+0.5(-5) -142 4Khz

8.025 - 11.7 - 150 -150+0.5(-5) -140 4Khz

12.2 - 12.75 - 148 -148+0.5(-5) -138 4Khz

Kết luận: Việc thiết lập tuyến thông tin vệ tinh cần phải xem xét đến các yếu

tố ảnh hưởng, những vấn đề liên quan đến chất lượng, băng thông và điều kiện làmviệc

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 vàđiện thoại số qua vệ tinh chỉ cần sử dụng các ăng ten có đường kính tương đối nhỏ

Tất cả các nước công nghiệp phát triển đều coi vệ tinh là một mũi nhọn củangành Viễn thông và nước ta không nằm ngoài xu thế này Mạng thông tin vệ tinhVSAT đã được triển khai ở Việt Nam từ năm 1996, đó là mạng VSAT DAMA, đápứng được nhu cầu thông tin ở nhiều địa hình khó khăn hiểm trở, sử dụng trongnhững tình huống khẩn cấp, khắc phục hậu quả thiên tai Chương tiếp theo sẽ trìnhbày về hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam

CHƯƠNG 2 MẠNG VSAT DAMA TẠI VIỆT NAM

2.1 Đặc điểm chung của mạng VSAT [1]

Hệ thống VSAT có các trạm đầu cuối cung cấp các đường truyền số liệu vàđiện thoại số qua vệ tinh sử dụng các anten có đường kính tương đối nhỏ Sự xuấthiện của nó không ảnh hưởng tới các mạng hiện có mà nó còn hỗ trợ để tăng tínhlinh hoạt cho mạng Nó cung cấp các tính năng ưu việt cho các khách hàng sử dụng

Một mạng VSAT bao gồm: Một vệ tinh thông tin, một trạm trung tâm(HUB) với anten khoảng từ 4,5m đến 11m và một mạng gồm nhiều trạm đầu cuốiVSAT (các trạm Remote) với các anten nhỏ (thường từ 0,9 đến 2,4m)

Mạng VSAT DAMA (Demand Assigned Multiple Access: đa truy cập ấnđịnh theo yêu cầu) tại Việt Nam bao gồm 01 trạm chủ được đặt tại Sài Gòn, cóđường kính ăng ten 7.2m

Trạm chủ (HUB) kiểm soát, điều khiển các trạm thuê bao

+ Trạm con có 1 tới 4 cạc kênh CU (Channel Unit), đảm trách các phươngthức truyền tin

+ Định dạng tần số phát - thu cho máy, phương thức điều chế QPSK hayBPSK tốc độ dữ liệu cho các loại thuê bao khác nhau, định mức phát, mức thu caotần lên vệ tinh Kiểm soát toàn bộ mức tần số, băng tần sóng mang, để phù hợp vớinhững qui định khai thác vệ tinh của hệ thống Làm điều đó bởi phần mềm điềukhiển và quản lý mạng (NCS: Network Control System) đặt ở trạm chủ.Tại đây saukhi cài đặt tất cả các yêu cầu kỹ thuật vào bộ vi xử lý đổ vào cạc thoại thì được hiểu

là kênh thoại (VCU: Voice Channel Unit) hay đổ vào cạc số liệu thì được hiểu làkênh số liệu (DCU:Data Channel Unit)

Tóm lại một cạc hoạt động như thế nào là do việc cài đặt tại trạm chủ

- Để kiểm soát từ xa các trạm con, theo một chu kỳ thời gian ngắn qui địnhtrạm chủ cập nhập tình trạng trạm con của mình, phát hiện các vấn đề sự cố và traođổi thông tin với nhau Có thể tự thử nối vòng về (loopback) từ xa để kiểm tra mọithông số kỹ thuật Các sự kiện đang xảy ra và đã xảy ra của thiết bị trạm con đềuđược thông tin đầy đủ

- Việc điều khiển cung cấp tần số phát và thu qua vệ tinh đối với hàng trămtrạm con như vậy khá phức tạp Hệ thống NCS kiểm soát mạng sẽ chỉ cho phát lên

vệ tinh khi hai trạm con có yêu cầu kết nối thông tin và ngắt sóng mang phát lên

và tính cước Hơn thế nữa hệ thống VSAT còn có thể sử dụng để cung cấp cácđường truyền số liệu với các tố độ 9.6kbps đến 64kbps.

Điểm khác biệt so với các hệ thống VSAT khác đang sử dụng tại Việt Nam

là đường truyền trong hệ thống VSAT DAMA có các sóng mang vệ tinh truyền theophương thức SCPC (Single Channel Per Carrier): mỗi một sóng mang mang thôngtin đã được số hoá (Digital Signal) trên một kênh từ thuê bao này đến thuê bao kia

- Hệ thống điều khiển NCS có thể trao đổi thông tin với các trạm Remotebằng hai kênh điều khiển:Outbound Channel (OCC) truyền dữ liệu từ NCS đếnRemote và Inbound Channel(ICC) từ trạm Remote đến NCS

- Mọi cạc kênh (CU) đều giống nhau về mặt cấu trúc điện vật lý tuỳ thuộcvào việc lập trình phần mềm tại NCS, NCS sẽ qui định từng cạc hoạt động vớinhiều cấu hình khác nhau thực hiện các chức năng khác nhau: CCU (ControlChannel Unit) cho kênh điều khiển, VCU cho mạch thoại, DCU cho mạch truyền sốliệu

+ Một trạm con chỉ có một chassis, mỗi chassis có thể có tối đa 4 cạc CU.Mỗi CU (card) có các giao tiếp:

(i) Giao tiếp hai dây cho các máy lẻ

(ii) Giao tiếp E&M với tổng đài

(iii) Giao tiếp RS 232 để thiết lập cấu hình, điều khiển

Băng thông (Bandwidth) của một kênh phụ thuộc vào các yếu tố tốc độ dữliệu, phương thức sửa lỗi FEC và các kiểu điều chế Các mạch có cùng một chế độlàm việc (tốc độ dữ liệu (bit rate), FEC, và phương thức điều chế ) được tập trungtrong một tập hợp các cặp tần số đã được xác định trước

Bằng quá trình thực hiện sự phối ghép khả năng báo hiệu và kết nối theo yêucầu giữa các đầu cuối thuê bao xa (Remote Terminal: RT), nhờ gán các tần số hoặccác khe thời gian tới các RT tương ứng), NCS sẽ xác định và chỉ định tần số chocác cạc kênh thuê bao xa (Remote CU) Sau khi xác định được tần số làm việc, cácRemote CU sẽ thực hiện truyền đẫn thông tin của khách hàng Khi cuộc gọi kết

Trạm REMOTE

Đầu cuối vô tuyến

Thiết bị bên trong

Trạm REMOTE

Đầu cuối vô tuyến

Thiết bị trong nhà

Máy chủ

Đầu cuối vô tuyến Thiết bị trong nhà (IDU)

Đầu cuối

vô tuyến Khối điều khiển kênh (Truyền vào)

Khối điều khiển kênh (Truyền vào)

Khối điều khiển kênh (Truyền ra)

Bộ sử lý điều khiển mạng (NCP)

Chuyển mạch trạm trung tâm

Khối sử lý DAMA (DPU )

Bàn điều khiển mạng

Mạng thoại công cộng

2.2 Trạm HUB

2.2.1 Phần cứng

Hình 2.2 Bố trí trạm trung tâm(HUB) của VSAT

Trạm trung tâm gồm 3 phần chính [1]: RFT (đầu cuối tần số vô tuyến) thiết

bị băng cơ sở của trạm trung tâm và giao diện khách hàng

Phần RFT bao gồm 1 anten parabol kích thước 7,2m và thiết bị điện tử tần sốcao (RF) thường được đặc trưng cho các trạm mặt đất lớn (bộ chuyển đổi lên, bộchuyển đổi xuống, bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA, và bộ khuyếch đại công suấtcao HPA )

Thiết bị băng cơ sở trung tâm bao gồm các bộ điều chế cần thiết để truyềnthông với các trạm thuê bao đầu xa cũng như giao thức phối ghép của mạng: số liệucần gửi đi được mã hoá để cung cấp cơ chế sửa sai trực tiếp và được điều chế đểcho phép truyền thông trên một tần số vệ tinh ấn định trước Sau đó tại đầu thuthông tin được giải điều chế

Các bộ điều chế

Thiết bị RF

Máy tính(nms)

Thiết bị trung tâm

2.2.2 Phần mềm.

Sự điều khiển và quản lý mạng của hệ thống VSAT DAMA thực hiện đượcnhờ các chức năng đã khai báo trong các cạc lắp đặt tại các trạm thuê bao xa màtrong quá trình khai thác có liên quan tới hệ thống điều khiển NCS từ trạm HUB

NCS phải có cấu hình sao cho nó có thể cung cấp các chức năng sau:

- Chức năng xử lý DAMA: việc cung cấp một mạch vệ tinh (các kênh SCPC)

để liên lạc giữa một cặp CU bất kỳ nào trong hệ thống được thực hiện trước sự điềukhiển của bộ sử lý DAMA của NCS

- Chức năng lưu trữ dữ liệu của toàn mạng: NCS cung cấp phương tiện đểlưu trữ chi tiết về khai thác như các sự cố xảy ra trong toàn mạng, thông số để tínhcước, các dữ liệu thống kê khác

- Chức năng cung cấp giao tiếp cho người khai thác mạng

- Chức năng cấu hình hệ thống cho phép người khai thác khai báo cấu hình

hệ thống

- Chức năng điều khiển gỡ rối mạng: Thông qua mạng máy tính, NCS phốihợp các chức năng để thực hiện các yêu cầu về kiểm tra, chuẩn đoán và điều khiểncác thành phần trong mạng lưới

- Điều khiển NCS: Thông qua giao tiếp mạng, người khai thác có thể kiểmtra tại chỗ các chức năng khác của NCS như lưu trữ những tập thông tin dữ liệu,kiểm soát các cơ sở dữ liệu, điều khiển về cấu hình các bộ xử lý của NCS

Phần mềm xử lý điều khiển mạng: là trọng tâm của NCS, nó là cơ sở dữ liệu

về cấu hình hệ thống, điều khiển cập nhật các thông số của cơ sở dữ liệu này, để tảiphần mềm xuống các trạm đầu cuối, lưu các dữ liệu được tạo ra trong mạng Nóichung điều khiển và kiểm tra các thành phần khác của hệ thống như NCS chỉ có duynhất một NCP

Bộ xử lý DAMA (DPU): thực hiện việc cung cấp các kênh thoại DAMA vệtinh và biên dịch các số được quay tương ứng với nhu cầu thiết lập cuộc gọi mà nónhận được từ trạm đầu cuối và chuyển tiếp tới NCS để xử lý Mỗi NCS chỉ có duynhất một DPU, hoặc ở trong cùng một thiết bị với NCS hoặc tách ra trong bộ xử lýcác dịch vụ của máy (NSP)

Các kênh điều khiển: Đặc biệt được dùng để truyền thông điệp kết nối cuộcgọi và những thông điệp quản lý giữa NCS và các trạm thiết bị đầu cuối, có hai loạikênh điều khiển được dùng trong hệ thống: Kênh điều khiển ra OCC (OutboundControl Channel): là những kênh SCPS được dùng để truyền dữ liệu từ NCS đến