Nghiên cứu hệ thống VSAT và phân tích thiết kế mạng

KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG VSAT1.1.1.Giới thiệu chung: Mặc dầu các hệ thống vệ tinh sử dụng các trạm mặt đất cỡ nhỏ ăng ten có đường kính từ 3m đến 7m, băng tần 6/4GHz đã được sử dụng phổ biế

Mục lục

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ VSAT

1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG VSAT

1.1.1.Giới thiệu chung:

Mặc dầu các hệ thống vệ tinh sử dụng các trạm mặt đất cỡ nhỏ (ăng ten có đường kính từ 3m đến 7m, băng tần 6/4GHz) đã được sử dụng phổ biến trong dịch vụ vệ tinh cố định (FSS) từ khi các hệ thống vệ tinh nội địa được đưa vào sử dụng ( vào khoảng năm 1975), nhưng lần ứng dụng trong thực tế đầu tiên của các hệ thống dựa trên các trạm mặt đất cỡ nhỏ cho cá ứng dụng chuyên dùng có thể được xem như bắt đầu từ năm 1981 Khi mà một công ty của Mỹ đã chào hàng (với số lượng lớn) các trạm mặt đất một chiều (one-way) trang bị các ăng ten có đường kính 0,6m và có khả năng thu dữ liệu với tốc độ bit thấp (300 – 9600bit/s) được phát đi (thông qua một vệ tinh nội địa) từ một trạm mặt đất trung tâm (Hub) Do việc thu tín hiệu được

thực hiện bởi một ăng ten có đường kính nhỏ (và vì vậy, cần phải có một hệ số phát

xạ đẳng hướng tương đương - e.i.r.p - rất cao trên vệ tinh), cho nên các kỹ thuật truy

cập và điều chế trải phổ phải được áp dụng để tránh can nhiễm đến từ các hệ thống thông tin khác sử dụng băng tần (6/4 GHz) Kiểu hệ thống phân phối dữ liệu trực tiếp tới người sử dụng này đã trở nên rất phổ biến, hàng chục ngàn đầu cuối (các trạm mặt đất) đã được lắp ở Mỹ Và từ năm 1984, các hệ thống hai chiều (two-way) dựa trên cùng nguyên lý trên đã được đưa vào sử dụng Tuy nhiên, sau đó đã xuất hiện một hệ thống mới với băng tần hoạt động là 14/11-12 GHz, với khả năng đảm bảo thông lượng dữ liệu rất cao (56-64 Kbit/s), và sử dụng kỹ thuật điều chế khác (kết hợp giữa TDM và TDMA ) Thế hệ này đã chiếm lĩnh toàn bộ thị trường, mặc dầu nó yêu cầu đường kính của ăng ten có lớn hơn một chút (thường là 1,2m)

Mặc dầu có thể chọn cho nó một cái tên khác (chẳng hạn như “vi trạm”, “vi đầu cuối”), nhưng tên gọi VSAT (ban đầu là một nhãn hiệu

thương mại có nghĩa là “đầu cuối khẩu độ nhỏ”) đã được sử dụng rộng

rãi và sẽ được sử dụng trong toàn bộ đồ án này để gọi cả hệ thống vệ tinh lẫn các mạng (các mạng VSAT)

1.1.2 Các định nghĩa và đặc tính của hệ thống VSATs

Phải thừa nhận rằng không có một định nghĩa thực sự nào về hệ thống VSATs

và rằng hiện nay tên gọi này đã trở nên quá phổ biến đến nổi đôi khi nó được dùng

để chỉ các trạm mặt đất được trang bị các ăng ten cỡ nhỏ và cũng chính vì vậy nó được dùng để chỉ nhiều loại trạm mặt đất và hệ thống khác nhau Bản tổng kết sơ lược về cái loại hệ thống và các trạm mặt đất được mô tả bởi thuật ngữ VSAT được giới thiệu dược đây

Thật ra, VSAT vẫn chỉ là các trạm mặt đất cỡ nhỏ, chi phí thấp Chúng được trang bị các ăng ten cỡ nhỏ (có đường kính từ 1m đến 2m) với bộ khuếch đại pháp

RF công suất thấp (thường từ 1 đến 10 W) và các khối xử lý tín hiệu và modem được thu gọn Giá thành của chúng cũng được giảm xuống vì bây giờ đã có thể được sản xuất hàng loạt giống như máy tính cá nhân

Thấy được yêu cầu của nhiều chính phủ muốn có các quy định về mặt kỹ thuật

cho việc cấp phép cho các VSAT , ITU (International Telecommunication Union

nghĩa là Liên minh Viễn thông Quốc tế) đã công nhận một loạt các khuyến nghị:

Khuyến nghị ITU- R (các Khuyến nghị ITU-R.S từ 725 đến 729), dựa trên các kết

quả nghiên cứu của CCIR Task Group 4/2 của nhóm nghiên cứu số 4 về thông tin

vô tuyến

Sự thiết lập các khuyến nghị này bao gồm cả sự thỏa thuận về định nghĩa

VSATs Khuyến nghị đầu tiên trong các khuyến nghị đó (Khuyến nghị ITU-RS 725)

liệt kê các đặc tính kỹ thuật của các hệ thống và các trạm mặt đất được đề cập đến trong các khuyến nghị khác (nghĩa là trong các khuyến nghị theo sau đó)

Những đặc điểm chính của VSAT hầu hết đều tuân theo tinh thần của Khuyến

nghị ITU- R S 725 Có thể tóm tắt như sau:

- Các trạm mặt đất VSAT thường được sử dụng trong các mạng khép kín ở các ứng dụng có tính chuyên dụng, kể cả cho quảng bá thông tin (cac VSAT một chiều) lẫn trao đổi thông tin (các VSAT thu/phát)

- Các trạm mặt đất VSAT (từ xa) nói chung thường thiếp lập trực tiếp ở khuôn viên của người sử dụng ở những nơi không được giám sát thường xuyên

- Các trạm mặt đất VSAT thường là thành phần của một mạng hình sao, bao gồm một trạm trung tâm (Hub) tương đối lớn và nhiều trạm

VSAT từ xa Tuy nhiên, có một vài mạng lại hoạt động theo cấu hình

điểm-đối-điểm hoặc cấu hình mạng lưới không cần các Hub.

- Các trạm mặt đất thường sử dụng phương pháp truyền dẫn số với tốc dộ bit thấp hoặc trung bình (≤ 2Mbit/s)

- Các trạm mặt đất VSAT (từ xa) được trang bị các ăng ten có đường kính nhỏ hơn 2,4m tuy nhiên, trong một số trường hợp đường kính

có thể lên có thể lên tới 5m nếu cần

Ngoài ra còn có một số định nghĩa có liên quan đến hệ thống VSAT như sau:

- Hệ thống VSAT : một hệ thống VSAT (thông tin vệ tinh) bao gồm phần cứng và phần mềm tạo thành một thực thể dảm nhận một chức năng nào đó, các phân vùng không gian, phân vùng mặt đất, các thiết bị phụ trợ Phân vùng măt đất bao gồm cá trạm mặt đất VSAT từ xa và các trạm mặt đất trung tâm (Hub), nếu có

Mạng VSAT : một mạng VSAT là toàn bộ cấu hình chức năng cung cấp một hay nhiều dịch vụ nhất định tới những người sủ dụng và bao gồm cả hệ thống VSAT và các giao diện với các thực thể có liên quan khác nhằm cung cấp một hay nhiều dịch vụ hoàn chỉnh

1.2.1 Tổng quát

Các hệ thống VSAT thường được sử dụng dưới hình thức tư nhân, một nhóm người sử dụng khép kín, hay các mạng thông tin số trong đó các trạm VSAT từ xa được thiếp lập trực tiếp tại khuôn viên của từng người sử dụng từ xa Thực ra, các ứng dụng quan trọng nhất của hệ thống VSAT đều dựa trên đặc điểm rất quan trọng này

Khi quyết định thiết lập cung cấp một mạng VSAT cho một ứng dụng cụ thể nào đó, cũng cần phải so sánh với việc sử dụng mạng thông tin mặt đất và đặc biệt là với

Mạng dữ liệu chuyển mạch gói (PSDN) Thật ra, mạng VSAT có những ưu điểm

sau:

- Khả năng cung cấp dịch vụ lớn do tầm phủ sóng của vệ tinh lớn

- Việc triển khai mạng trở nên linh hoạt nhờ vào việc dễ dàng thay đổi các cấu hình liên lạc và cho phép thiết lập các VSAT mới ở bất kỳ nơi nào nằm trong vùng phủ sóng

- Khả năng quảng bá thông tin cao Đặc biệt đối với việc phân phối dữ liệu

- Khả năng truyền dẫn với tốc độ bit cao, thường là 64,128Kbit/s hoặc hơn nữa

- Chi phí thông tin không phụ thuộc khoảng cách

- Không có các Node mạng trung gian giữa những người sử dụng đầu cuối (DTE) và Hub Điều này làm cho các mạng VSAT có các đặc tính hoạt động rất cao như: độ tin cậy, độ sẵn dùng, và chất lượng đường truyền dẫn cao ( nghĩa là

tỉ lệ lỗi bản tin và tỉ lệ lỗi bit rất thấp)

Nhược điểm chính của các mạng VSAT là trễ truyền dẫn trên đường truyền vệ tinh ( khoảng thời gian trễ một chiều giữa hai VSAT là khoảng 275 ms) Tuy nhiên:

- Thời gian trễ này hiếm khi thực sự là vấn đề trong hầu hết các ứng dụng phân phối và truyền dữ liệu của các VSAT Tất nhiên, các giao thức ứng dụng

và thông tin phải có khả năng thích ứng với việc xử lý thời gian trễ này Mặc dù vậy, trong lĩnh vực thông tin thoại, cần phải áp dụng các mạch triệt dội có chất lượng cao để giảm tối đâ ảnh hưởng của trễ truyền dẫn

- Cần phải chú ý trễ truyền dẫn không phải là không có trong mạng PSDN, do các hoạt động lưu trữ và chuyển mạch ở các nút mạng

1.2.2 Các ứng dụng thông tin một chiều

1.2.2.1 Phân phối dữ liệu

Ứng dụng một chiều phổ biến nhất là phân phối dữ liệu ( còn gọi là truyền thông

dữ liệu ), tức là phân phối thông tin dưới dạng tín hiệu số từ Hub tới tất cả các thuê bao hoặc một số giới hạn các thuê bao trong mạng ( phân phối giới hạn ) Ví dụ:

- Tin tức, thông cáo báo chí… từ các hãng thông tấn

- Tỉ giá hối đoái, cổ phiếu, thông tin về thị trường từ cá trung tâm giao dịch chứng khoán

- Đưa các thông tin dự báo thời tiết từ các trạm khí tượng thủy văn đến các sân bay

- v.v…

1.2.2.2 Phân phối tín hiệu Video

Thuật ngữ phân phối tín hiệu Video ở đây được giới hạn trong các hình thức truyền dẫn các tín hiệu video hay truyền hình trong các hình thức ứng dụng thương mại hay hợp tác, không kể các hình thức truyền dẫn tín hiệu truyền hình phụ vụ giải trí Việc phân phối tín hiệu tới các trạm VSAT có thể thực hiện dưới dạng hai hình thức chính:

- Dùng VSAT thu các tín hiệu Video ( hoặc truyền hình) số ở tốc độ bit thấp (≤

1,5 Mbit/s hay 2,4 Mbit/s), có nghĩa là tuân theo chế độ hoạt động bình thường của VSAT

- Thu các tín hiệu truyền hình số hoặc tín hiệu TV/FM truyền thống, dưới dạng một chức năng phụ trợ của VSAT Chức năng này thương được thực hiện thông qua

một cổng ra phụ ở khối chuyển đổi nhiễu thấp (LNC) của thiết bị VSAT outdoor

Điều này tại cho hệ thống VSATs một chức năng bổ trợ cho hệ TVRO

và khi đó có thể coi VSAT là một hệ thống thông tin một chiều như trước ( ngoại trừ trường hợp kênh điều khiển được thực hiện bởi các thiết bị thông tin mặt đất)

1.2.3 Các ứng dụng thông tin hai chiều

Bổ sung cho các dịch vụ thông tin một chiều nói trên, các VSAT hai chiều sẽ mang lại cho một phạm vi ứng dụng gần như không có giới hạn

này làm cho tính linh động của mạng tăng lên rất nhiều, đặc biệt là đối với các kiểu

trao đổi dữ liệu và truyền file theo phương pháp tương hỗ (interactive) hoặc theo

kiểu luân phiên hỏi đáp Trong thực tế, các mạng VSAT hoạt động tương tự như

Mạng chuyển mạch gói (PSDN) Một số ứng dụng điển hình của mạng như:

- Các hoạt động tài chính ngân hàng, bảo hiểm

- Các hoạt động tại các điểm kinh doanh

1.2.3.2 Truyền dẫn âm tần và tín hiệu thoại

Mặc dầu mạng điện thoại công cộng theo qui ước không phải là một dịch vụ chính thức của các mạng VSAT ( và có thể bị cấm bởi một số qui định), nhưng các dịch vụ thoại trong khuôn khổ tư nhân có thể được công nghệ VSAT hỗ trợ Hình thức này có thể được thực hiện dưới hai dạng:

- Truyền dẫn các tín hiệu thoại analog thông thường (FM) hoặc số (64,32Kbit/s hoặc nhỏ hơn ) như một chức năng phụ của VSAT Một chức năng như vậy có thể được triển khai thông qua sử dụng các kênh phụ trợ SCPC dùng chung khối thiết bị outdoor ( LNC và bộ phát ) với cá chức năng chính của VSAT Hoặc:

- Truyền các kênh thoại thông qua các kênh truy cập bình thường của VSAT Đưa vào các khe TDMA hoặc TDM theo yêu cầu hoặc ngay cả thông qua chế độ mạng điện thoại theo phương thức chuyển mạch gói.

Hơn nữa, ở một vài quốc gia có lãnh thổ phân bố rộng, ở các vùng ngăn cách về địa lý, khó đi lại, thì các trạm cỡ nhỏ (thường được kết nối trực tiếp với các thuê bao) được sủ dụng (với tên gọi là VSAT ) cho các hệ thống và các mạng công cộng với các ứng dụng khác nhau, bao gồm cả hình thức mạng điện thoại ở các vùng nông thôn, lẫn hình thức kết nối tới mạng điện thoại công cộng

1.2.3.3 Video hội nghị

Tiếp theo sự phát triển của sự phát triển của kỹ thuật nén hình ảnh số, các bộ

mã hóa/giải mã (codec) video tốc độ bit thấp đã tạo điều kiện cho việc thực thi hình thức video hội nghị phục vụ cho các hoạt động kinh doanh với mục đích tiết kiệm chi phí đi lại Tốc độ bit hiện nay đang được sử dụng cho hình thức này là: 56/64Kbit/s, 112/128Kit/s, 384Kbit/s, 738Kbit/s và 1.544/2.048Mbit/s, một sự lựa chọn khả thi nhất vừa đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt vừa đạt được chi phí truyền dẫn có thể chấp nhận được thường là tốc độ 384Kbit/s Hơn nữa, hiện đã có các bộ mã hóa/giải

mã đa tốc độ, cho phép tối ưu hóa độ rộng băng tần kênh truyền dẫn dưới dạng một hàm của chất lượng theo yêu cầu của từng ứng dụng Thực ra, các VSAT có thể cung cấp một phương tiện thông tin phù hợp cho từng ứng dụng Tất nhiên, phương tiện ohuf hợp cho việc chuyển và quản lý hội thoại được thực hiện bởi các mạng VSAT ,

đặc biệt trong trường hợp hội thoại đa đường

1.3.GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MẶT KỸ THUẬT

Hiện nay hầu hết các ứng dụng của các mạng VSAT đều dựa trên các khái niệm sau:

- Mạng hình sao: Các mạng hình sao bao gồm một trạm mặt đất trung tâm thường gọi là Hub ( được trang bị một ăng ten tương đối lớn, đường kính từ 6 → 9 m, hoạt động trong băng tần 14/11-12 GHz) và một số trạm mặt đất từ xa (theo chuẩn VSAT) được trang bị ăng ten cỡ nhỏ ( có đường kính từ 1 → 2,5m) Mọi đường thông tin giữa các trạm VSAT từ

xa đều thông qua Hub Luồng thông tin từ Hub tới VSAT được thực hiện

trên kênh tuyến ra, còn luồng thông tin từ Hub đên VSAT được thực

hiện trên kênh tuyến vào

- Các chế độ thông tin: các kênh tuyến ra được phân phối đồng thời từ các Hub tới các VSAT, trong khi các kênh tuyến vào yêu cầu/ phúc đáp

riêng lẻ được thiết lập từ mỗi một VSAT từ xa tới Hub

Vì vậy, các chế độ thông tin được sử dụng phổ biến hơn cả chính là:

- Đối với tuyến ra: Hub quảng bá các tín hiệu mang thông tin đã được ghép kênh phân chia theo thời gian ( TDM ) trên một sóng mang FDMA hoặc TDMA

Đối với các kênh vào: mỗi một trạm VSAT phát một sóng mang FDMA hoặc TDMA đã được định tuyến trên một đường truyền liên tục ( trong trường hợp lưu lượng cố định hoặc đột biến), hoặc trên một đường truyền tín hiệu không liên tục (trong trường hợp lưu lượng không cố định hoặc đột biến) Trong trường hợp đầu, sự

lựa chọn tối ưu là một kênh đơn trên một sóng mang (SCPC) hoặc

phân kênh TDMA dung lượng thấp ( băng hẹp ) Trong trường hợp thứ hai, có thể lựa chọn một số giải pháp như: chọn kênh theo yêu cầu (DAMA) hoặc chọn kênh ngẫu nhiên (thuật toán Aloha) Trong cả hai trường hợp trên, kỹ thuật đa truy cập phân theo mã (CDMA) đều có thể được sử dụng

Như đã mô tả trong mục 1.1, các mạng VSAT được đưa vào sử dụng lần đầu ở

Mỹ trong các mạng thương mại tư nhân Các VSAT này có kích thước rất nhỏ, được đặt tại khuôn viên trạm, dùng các kỹ thuật đa truy cập và điều chế trải phổ Bởi vì đây

là phương pháp duy nhất có thể hạn chế tới mức tối thiểu ảnh hưởng của can nhiễu đến từ các hệ thống RF khác, do đây là các loại ăng ten nhỏ mà chịu một tải lớn trên băng tần 6/4 GHz

Các quy định cho việc quản lý các can nhiễu đều có nói đến công suất trên một băng tần (mật độ công suất) Trong kỹ thuật trải phổ, độ rộng của băng tần tín hiệu được tăng lên, thường thì thông qua mã hóa thông tin với một chuỗi tín hiệu giả ngẫu nhiên Với một công suất cho trước, nó làm giảm đi đáng kể mật độ công suất ở đầu thu, tín hiệu ban đầu được khôi phục lại bằng cách tương quan các bit với chuỗi gốc

Kỹ thuật trải phổ được ứng dụng lần đầu tiên cho mạng phân phối dữ liệu một

chiều Sau đó, các mạng thông tin hai chiều đã đưa vào ứng dụng phương pháp đa

truy cập trải phổ (SSMA) (chính xác hơn là phương pháp đa truy cập phân chia theo

mã – CDMA) dùng trong các kênh phát tuyến vào (inroute)

Mặc dầu các hệ thống VSAT sử dụng kỹ thuật trải phổ có khả năng thích ứng tốt với băng tần 6/4 GHz nhạy nhiễu Nhưng ưu điểm này tỏ ra không quan trọng khi các bộ phát đáp vệ tinh sử dụng băng tần 14/11-12GHz được đưa vào sử dụng trong

này là các hệ thống được cung cấp bởi Intersat IBS (Intersat Business Service) và Eutelsat (Satellite Mutil- Service System).

FDMA/SCPC, đa truy cập phân chia theo tần số với một kênh đơn trên mỗi song mang (nghĩa là không cần ghép kênh) là một phương pháp đa truy cập rất phổ biến dùng để thiết lập các đường truyền vệ tinh điểm-đối-điểm và điêm-đối-đa điểm

và ngay cả trong các mạng hình lưới Nếu các đặc tính của vệ tinh (đặc biệt là thông

số e.i.r.p) cho phép sử dụng các trạm mặt đất thu/phát cỡ nhỏ trong việc triển khai các mạng này, thì chúng ta có thể gọi chúng là các mạng VSAT SCPC

Các tuyến thông tin có thể được phân phối trước hoặc phân phối theo yêu cầu (DAMA) Trong trường hợp phân phối trước, không nhất thiết phải cần đến một trạm trung tâm, trừ trường hợp cần giám sát, lưu trữ cuộc gọi,…Trong chế độ DAMA, các tín hiệu báo hiệu ban đầu cần thiết cho việc lựa chọn tức thời các kênh thông tin được điều khiển bởi một trạm chủ (Master) Tuy nhiên, trạm chủ này không hoạt động hoàn toàn như một Hub vì các kênh thông tin liên kết đơn có thể được thiết lập giữa tất cả các trạm mặt đất

Các mạng VSAT SCPC được ứng dụng chủ yếu ở các vùng nông thôn và những nơi có mật độ điện thoại thấp (nghĩa là sử dụng các kênh thoại được mã hoá với tốc độ bit thấp), trong thông tin khẩn nguy và tìm kiếm cứu nạn Mạng VSAT SCPC đưa ra những giải pháp tối ưu cho các tổ chức ở các nước đang phát triển để có thể nhận được một cách nhanh nhất các dịch vụ thông tin đáng tin cậy

TDMA, nghĩa là đa truy cập phân chia theo thời gian, thường đi kèm ghép kênh

phân chia theo thời gian (TDM), là phương pháp truy cập hoàn toàn bằng kỹ thuật số

rất có hiệu quả cho việc thiết lập (dựa trên cơ sở phân chia các khe thời gian) các mạng có cấu hình điểm-đối-điểm, điểm-đối-đa điểm và cấu hình mạng lưới

TDMA với độ rộng băng tần truyền thống (với toàn bộ công suất băng tần của các bộ phát đáp vệ tinh đã được sử dụng) sẽ không được xem là một phương pháp thông tin thực thụ theo kiểu VSAT Bởi vì phạm vi ứng dụng của nó bao gồm cả các đường thông tin trung chuyển có tốc độ bit cao (thường là 30 Mbit/s, 120Mbit/s hoặc cao hơn nữa) và thông thường nó cũng cần các ăng ten tương đối lớn cho các trạm mặt đất

Tuy nhiên, TDMA ở dạng TDMA dùng trong băng hẹp có thể là lựa chọn thích hợp nhất đối với các mạng thông tin có dung lượng vừa (dưới 40Mbit/s) Nếu những đặc tính của vệ tinh cho phép nó sử dụng các trạm mặt đất thu/phát cỡ nhỏ để triển khai các mạng như vậy, thì ta có thể gọi chúng là các mạng VSAT TDMA Yêu cầu phải có một trạm trung tâm, ít nhất là để cung cấp các tín hiệu đồng bộ chuẩn Các kênh thông tin liên kết trực tiếp cũng có thể được thiết lập giữa tất cả các trạm mặt đất

Các VSAT sử dụng kỹ thuật TDM/SCPC kết hợp

Các đường liên lạc SCPC tuyến vào có thể được kết hợp thông qua một Hub (trong cấu hình của mạng hình sao), với các kênh thông tin TDM quảng bá tuyến ra triển khai các mạng được gọi là các mạng VSAT TDM/SCPC Điều này mang lại một giải pháp hữu hiệu cho việc truyền dẫn thoại và dữ liệu trong trường hợp số lượng các trạm VSAT nhỏ hoặc trung bình (đến 1000), đặc biệt là khi kết hợp với phương pháp DAMA.Phần lớn các mạng VSAT hiện nay sử dụng kết hợp cả hai kỹ thuật TDM & TDMA, hoạt động trong cấu trúc hình sao Chính vì vậy các kỹ thuật trong các trạm mặt đất, các hệ thống và các mạng VSAT TDM/TDMA sẽ được trình bày cụ thể hơn trong đồ án này

sử dụng Cũng tương tụ như các kênh sóng mang tuyến ra TDM, nó cũng dựa trên

kỹ thuật FDMA Hệ thống TDM/TDMA hình sao này và sự chiếm dụng của các bộ phát đáp vệ tinh tương ứng được minh hoạ ở hình 1.3.1 Tất nhiên, ở các mạng lớn,

có thể phải truyền đi nhiều hơn một kênh tuyến ra TDM

Hình 1.3.1

Các bản tin tuyến ra thường được Hub chấp nhận ngay từ lần đầu tiên Mỗi một trạm VSAT từ xa sẽ theo dõi toàn bộ luồng thông tin trên đường truyền tuyến ra, nhưng chỉ giải mã tuyến ra nào được đánh địa chỉ tới một trong các cổng của nó (các giao diện mặt đất với người sử dụng).

Các bản tin tuyến vào được truyền đi, trên một sóng mang FDMA được phân phối trước, bởi các khoảng tần số TDMA đã định Trong phần llowns các hệ thống VSAT, việc thực hiện TDMA có đơn giản hơn trong các hệ thống TDMA qui ước Trong thực tế, việc truyền dẫn TDMA không được đồng bộ một cách đầy đủ bởi một trạm mặt đất chuẩn mà được lựa chọn theo cách theo cách phân phối dưới đây

Các chế độ phân phối phổ biến nhất bao gồm (hầu hết các mạng VSAT phổ biến hiện nay đang sử dụng đều có ít nhất một trong các chế độ tiêu biểu sau đây):

- Ở chế độ phân phối ngẫu nhiên (RA/TDMA, còn gọi là phương pháp Aloha hay

dạng suy ra từ nó, chẳng hạn như phương pháp Aloha chia khe, …), mỗi VSAT sẽ truyền đi luồng dữ liệu của mình ngay khi nó nhận được nguồn dữ liệu từ một trong

số các đầu vào của nó (các giao diện mặt đất với người sử dụng) Nếu một VSAT khác trong mạng cũng phát tín hiệu đồng thời thì sẽ xảy ra xung đột Bản tin sẽ được

tự động phát lại sau một khoảng thời gian ngẫu nhiên cho đến khi nhận được tín hiệu tích cực ACK từ Hbub Tất nhiên, ở chế độ phân phối ngẫu nhiên này, dung lượng của toàn bộ đường truyền phải giới hạn ở một mức nào đó để tránh hiện tượng bão hoà trên sóng mang truyên dẫn TDMA Tuy vậy, chế độ này cho thời gian đáp ứng rất nhanh đối với các bản tin nhỏ và liên quan đến nhiều đầu cuối

- Chế độ phân phối theo yêu cầu (DA/TDMA) hay chế độ dành riêng, một VSAT

được Hub cho phép phát đi trên các khe định trước (không có nguy cơ xảy ra xung đột) thông qua một yêu cầu do VSAT gởi đi ngay sau khi nhận được một bản tin ở một trong các cổng vào của nó Mặc dầu yêu cầu về thời gian đáp ứng có lớn hơn, nhưng chế độ này tỏ ra hiệu quả trong trường hợp các bản tin dài

Phần lớn các hệ thống thông tin truyền thống đều được ứng dụng như một thiết bị truyền dẫn trong khuôn khổ các mạng truyền thông công cộng Vì thế, các thiết bị trạm mặt đất do các nhà sản xuất cung cấp cho các nhà khai thác mạng công cộng thường chỉ được giới hạn ở giao diện lớp vật lý Ngược lại, các VSAT thường được sủ dụng trong các mạng viễn thông của các nhóm người sử dụng khép kín (CUG, hầu hết là các mạng tư nhân) Đó là lý do tại sao các nhà sản xuất thường được yêu cầu phải cung cấp các dịch vụ cho những người sử dụng đầu cuối, tạo nên một mạng VSAT hoạt động hoàn hảo và có tính độc lập Ngoài ra, việc kết nối một mạng VSAT với các dữ

liệu trên mặt đất khác cũng sẽ rất cần thiết, chẳng hạn như các mạng dữ liệu chuyển

mạch gói (PSDN), ISDN,…Vì vậy, các nhà sản xuất thiết bị VSAT thường cung cấp

các phần mềm hoàn chỉnh và các thiết bị phần cứng tương ứng, thường lên tới lớp 3 (lớp mạng) của mô hình OSI Các mạng VSAT cần phải có cá đặc tính hoạt động tương thích với các mạng dữ liệu mặt đất hiện có và những người sử dụng phải được

phép truy cập vào chúng thông qua các giao thức phổ biến nhất dùng để giao tiếp giữa người dùng và mạng.

Bảng 1.3.2 tóm tắt các đặc điểm chính của một mạng VSAT theo kiểu TDM/TDMA Đây chỉ là một ví dụ tiêu biểu nhất, các đánh giá chung được cho ở bên dưới

một mạng:

Mạng được định nghĩa ở đây như một công cụ phục vụ cho một nhóm người sử

dụng (CUG) Nó có thể là một mạng hoàn hảo độc lập hoặc là một mạng con được

triển khai trên cơ sỏ Hub chia sẻ Nhưng dù sao đi nữa, xét về khía cạnh chất lượng thiết bị thì kích thước của mạng vẫn tuỳ thuộc vào dung lượng luồng dữ liệu, tức là dựa trên:

- Số lượng người sủ dụng cần phục vụ Nói chung một người sử dụng cũng chính là một VSAT (từ xa) Tuy nhiên, một VSAT cũng có thể phục vụ cho một số người

sử dụng bằng cách kết nối nó với một mạng dữ liệu nội hạt (LAN) hoặc kể cả với

một mạng mặt đất

- Đặc tính luồng dữ liệu, khả năng biến đổi và các yêu cầu về dung lượng Ở đây các đặc điểm quan trọng nhất có liên quan đến các kiểu luồng dữ liệu và khả năng tương thích của nó Đó là:

qua lại (interavtive):

- Tốc độ truyền bản tin mong muốn (nghĩa là khoảng thời gian trung bình giữa hai bản tin, đặc biệt là trong các thời điểm thông lượng là cực đại) và chiều dài bản tin cần truyền đi từ các VSAT từ xa

- Nội dung từ các bản tin phúc đáp từ Hub

- Độ trễ đáp ứng chấp nhận được

Có thể có các yêu cầu truyền dẫn với mật độ luồng thông tin cao ở tuyến ra

và kể cả với tuyến vào (ở thời gian cao điểm và không cao điểm)

- Các đặc tính của bộ phát đáp vệt tinh (e.i.r.p, dải biến đổi mật độ công suất thu

receive power – flux density), độ rộng băng tần.

- Thông số G/TDMA của các trạm mặt đất thu, và đặc biệt là các trạm VSAT từ xa

- Số lượng và tốc độ dữ liệu của các sóng mang TDM tuyến ra Do kích thước nhỏ của các ăng ten VSAT nên đây chính là yếu tố quyết định chủ yếu cho toàn bộ

thông số e.i.r.p cần thiết của bộ phát đáp (bộ phát đáp thường hoạt động ở một

chế độ công suất giới hạn)

- Số lượng và tốc độ dữ liệu của các sóng mang TMD tuyến vào Đây là yếu tố

quyết định chủ yếu cho độ rộng băng tần của bộ phát đáp

Tất nhiên bên cạnh đó vẫn còn một số yếu tố khác nữa, chẳng hạn như: Các yêu

cầu về chất lượng truyền dẫn (BER), độ sẵn dùng và môi trường can nhiễu,…

Bảng tóm tắt một số hệ thống VSAT tiêu biểu Các hệ thống đa liên lạc

6/4 hoặc 14/10-12

14/10-12 14/10-12Kích

ALOHA, phân khe/kênh

dự trữ

CDMA

ALOHA, phân khe/DA- TDMA

TDMA lựa chọn thích nghi

ALOHA, chia khe/TDMA lựa chọn thích nghi

TDMA/

CDMA /FDMA

Dữ liệu, video, cho phép đánh địa chỉ

Dữ liệu, cho phép đánh địa chỉ

Dữ liệu, thoại, video, cho phép đánh địa chỉ

Dữ liệu, video, cho phép đánh địa chỉ

Dữ liệu, video, cho phép đánh địa chỉ

Dữ liệu truyền thông, cho phép đánh địa chỉ

Dữ liệu, cho phép đánh địa chỉ

sử dụng

X.25, SDLC, trên kế hoạch

ASYNC, SDLC, BISYNC, X.25, đã

sử dụng

TINET, SDLC, BISYNC

đã sử dụng, X.25 trên thiết kế

X.25, SDLC, ASYNC BISYNC

đã sử dụng

X.25, SDLC, ASYNC BISYNC

đã sử dụng

Đang trên kế hoạch

SDLC, ASYNC BISYNC

Bảng 1.3.2: Các đặc tính hoạt động tiêu biểu của một mạng VSAT

Số lượng VSAT trong một mạng Đến 16000

Công suất/Độ rộng băng tần vệ tinh 1/10 của toàn bộ phát đáp (tuỳ thuộc vào kích

thước mạng, thông lượng, ăng ten VSAT,…).Truyền dẫn tuyến ra (Từ Hub đến các

VSAT từ xa) -Một hay vài sóng mang TDM (256Kbit/s hay 512Kbit/s)

-Các sóng mang ghép TDM được truy cập theo

kỹ thuật FDMA

Truyền dẫn tuyến vào (Từ các VSAT từ

xa đến Hub) -Một hay đến 4 sóng mang TDMA (64Kbit/s hay 128Kbit/s) được truy cập bởi mỗi VSAT

-Mỗi sóng mang TDMA được truy cập bởi một nhóm VSAT (một nhóm ghép đến 4000 VSAT)

-Các sóng mang ghép TDMA được truy cập bởi kỹ thuật FDMA

Các cổng dữ liệu vào ra trên mỗi VSAT

Phân phối ở tuyến ra Ghép thống kê các gói tin

Các chế độ phân phối ở tuyến vào -Phân phối ngẫu nhiên (ALOHA)

-Hay phân phối theo yêu cầu (dự trữ)-Hay dung lượng cố định

Có thể chuyển đổi tự động giữa các chế độ phân phối

15.5 đến 21.5 dB(K-1)1W đến 5W

42 dBW đến 55 dBW

2.4m đến 3.4m70K

17.5 đến 20.5 dB(K-1)2W đến 10W

-Đường kính ăng ten

-Nhiễu nhiệt ở bộ thu

-G/T

-Bộ khuếch đại công suất cao (TWT)

Kỹ thuật thu TDM (với giải mã FEC)

điểm hay truyền thông

Điểm-đối-Truyền thông

Truyền thông

Truyền thông

Truyền thông

Truyền thông

Truyền thông

12

12

12 Kích thước

14/10-ăng ten (m) 1.8 và 2.4 2.4 1.8 và 2.4

1.8, 2.4

và 3.5

0.9 và 1.2

1.8 và 2.4 0.9 0.45 1.0

Trải phổ SCPC

Điều tần dùng sóng mang phụ

Điều tần dùng sóng mang phụ

Điều tần dùng sóng mang phụ Tốc độ dữ

56 đến 1544

Thay đổi đến 19.2

512,

1544, 6300

1.2 đến 56

0.110 đến 56

0.300 đến 57.6

Truyền thông dữ liệu điểm- đối-điểm

Phân phối theo yêu cầu, tốc độ kênh thay đổi

Dữ liệu, truyền thông

Dữ liệu, truyền thông

Dữ liệu, thoại, video, truyền thông

Dữ liệu, truyền thông, cho phép đánh địa chỉ

Dữ liệu, thoại, video, truyền thông, cho phép đánh địa chỉ Các giao

thức

Kênh

sạch Kênh sạch Kênh sạch

Kênh sạch

Đồng

bộ và không đồng bộ

X.25, HDLC, DEC

Kênh sạch

Kênh sạch

Kênh sạch

Chương 2 CÁC KIẾN TRÚC, GIAO THỨC VÀ GIAO DIỆN

MẶT ĐẤT CỦA MẠNG VSAT

2.1 CẤU TRÚC MẠNG VSAT

Một hệ thống VSAT bao gồm phần không gian (là các bộ phát đáp vệ tinh được

hệ thống sử dụng) và phần mặt đất (là các trạm mặt đât khác nhau thực hiện việc liên

lạc thông qua phần không gian) Từ quan điểm của những người sử dụng, các trạm mặt đất này là các điểm truy cập của một mạng thông tin, được gọi là mạng VSAT Các mạng VSAT có thể được miêu tả bằng một mô hình các liên kết giữa các trạm mặt đất,

có tính độc lập về các phương pháp mã hoá/điều chế/truy cập Mô hình các liên kết này được gọi là kiến trúc hay cấu hình hay topology của mạng Có thể phân loại các hệ thống VSAT thông qua kiến trúc mạng của nó

Có hai kiến trúc chính được đề cập tới trong phạm vi đề tài này là:

tổ hợp VSAT)

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

- Các mạng VSAT một chiều được sử dụng rộng rãi cho mục đích phân phối dữ liệu (hình 2.1.1a-trường hợp d ) Một trung tâm quản lý dữ liệu được kết nối đến Hub, Hub này sẽ quảng bá các tín hiệu dữ liệu đến VSAT Trong hầu hết các hệ thống đang được sử dụng, tốc độ bit của các luồng dữ liệu được phân phối thay đổi từ thấp (dưới

ví dụ 9600bit/s ) đến cao(ví dụ 1,5 hoặc 2Mbit/s trong trường hợp truyền thông video thương mại ) Trong trường hợp này, các trạm mặt đất ở xa thường chỉ được trang bị

để thu tín hiệu (các VSAT chỉ thu)

Ở đây cũng cần phải đề cập đến các mạng thu thập dữ liệu (hình 2.1.1a- trường hợp c) Trong trường hợp này, các VSAT được sử dụng để truyền các dữ liệu thu thập được từ xa đến cho một Hub Tuy nhiên, hầu hết các trường hợp, các ứng dụng như vậy phải cần đến một kênh tuyến ra, chẳng hạn như để phục vụ cho mục đích điều khiển và kiểm tra vòng Do đó chúng được xem như những mạng VSAT hai chiều (trừ khi kênh điều khiển được cung cấp bởi các thiết bị mặt đất)

- Các mạng VSAT hình sao hai chiều cung cấp các tuyến thông tin dữ liệu hai chiều giữa một thiết bị xử lý dữ liệu trung tâm (một hay nhiều máy chủ) được kết nối tới Hub và các đầu cuối ở xa (chính là các thiết bị dữ liệu đầu cuối DTE) được kết nối tới các VSAT (hình 2.1.1a trường hợp tw) Trong trường hợp này các trạm mặt đất ở

xa được trang bị cả hai mục đích cả phát cũng như thu (các VSAT thu/phát)

Một số đặc tính quan trọng của mạng VSAT hình sao được tóm tắt như sau:

- Đặc tính cơ bản của một mạng VSAT hình sao là khả năng thiết lập đồng thời các tuyến thông tin giữa Hub với nhiều VSAT, kể cả một chiều lẫn hai chiều

- Trong trường hợp các mạng hai chiều, hầu hết các ứng dụng chính đều liên quan đến truyền số liệu giữa các VSAT ở xa và Hub Trong các mạng hai chiều, tổng lưu lượng từ một Hub đến các VSAT (tuyến ra, nhiều kênh) tất nhiên sẽ lớn hơn nhiều

so với lưu lượng từ mỗi VSAT đến Hub (tuyến vào, nhiều kênh) Lưu lượng này

thường bao gồm các cụm tín hiệu dữ liệu, thường được tập hợp trong các gói (các

mạng VSAT hai chiều hình sao thường được triển khai dưới dạng các mạng dữ liệu

chuyển mạch gói PSDN).

- Các kênh tuyến ra từ Hub tới VSAT yêu cầu công suất RF tương đối cao (e.i.r.p) từ bộ phát đáp vệ tinh, trong khi đó kênh tuyến vào từ mỗi VSAT đến Hub chủ yêu cầu e.i.r.p nhỏ (trừ khi nhiễu có ảnh hưởng đáng kể đến đường truyền) Cho nên, nói chung bộ phát đáp vệ tinh chỉ được sử dụng ở một chế độ công suất giới hạn, với toàn bộ công suất RF được điều khiển bởi các yêu cầu trên kênh tuyến ra

Trong các mạng hình sao, vẫn có thể thiết lập các đường truyền thông tin giữa các VSAT, thông qua Hub, nhưng phải chấp nhận độ trễ đường truyền tăng lên gấp đôi (tức là khoảng 500ms) Trong trường hợp các đường thông tin dữ liệu, thường thì vấn

đề này được giải quyết bằng cách tính toán độ trễ trong giao thức thông tin (ví dụ khuyến nghị ITU-T X.25) Thực ra dạng trễ đường truyền này không phải không có trong mạng PSDN Những đường thông tin thoại cũng có thể được chấp nhận nếu được trang bị các bộ triệt phản hồi có chất lượng cao (khuyến nghị ITU-TDMA G.165)

Tuy nhiên, những đường truyền trực tiếp giữa các VSAT chắc chắn sẽ được ưa chuộng hơn khi hệ thống giữa các trạm từ xa đóng một vai trò đáng kể trong lưu lượng Khi đường truyền trực tiếp giữa các VSAT này được thiết lập thì các VSAT này sẽ hình thành mạng hình lưới (Hình 2.1.1b)

2.1.1.2 Các mạng VSAT hình sao với Hub dùng chung

Chi phí cho những thành phần chung của một mạng VSAT, đặc biệt là Hub, trong đó có đầu tư ban đầu và chi phí nâng cấp định kỳ cho trung tâm điều khiển mạng (NCC), và cho công tác quản lý của chúng, có thể sẽ không có tính khả thi nếu như chi phí này không được chia sẻ giữa một số lượng đủ lớn các nhà sử dụng (tức là các VSAT ở xa)

Hình 2.1.2

Để giải quyết vấn đề đó, người ta đưa ra khái niệm hệ thống Hub VSAT dùng

chung, trong đó những người sử dụng được chia thành những mạng con Như trong

hình 2.1.2, mạng VSAT được chia thành các mạng con, mỗi một mạng con được phân phối cho một nhóm người sử dụng nhất định (CUG) Mỗi một kênh tuyến ra được ấn định cho một CUG xác định Mỗi CUG có thể tự quản lý lưu lượng của nó thông qua một trung tâm điều khiển mạng con của riêng mình (SCC) (trung tâm này có thể chỉ đơn giản là một tổ hợp máy tính/ bàn console) Ngoài NCC và thiết bị RF được dùng chung cho toàn bộ mạng, mỗi CUG có các thiết bị bằng gốc (HBE) nhất định của riêng

nó, để xử lý các luồng dữ liệu tuyến ra và tuyến vào của chính mình (thiết bị ghép kênh/phân kênh, các khối giao tiếp mặt đất và các kết nối với các máy chủ…) Mỗi một SCC được kết nối tới Hub (chính xác là tới HBE tương ứng) thông qua một tuyến điều khiển có thể là tuyến mặt đất (đường truyền dành riêng PSDN) hoặc tuyến vệ tinh (thông qua một trong các VSAT)

Vấn đề phức tạp nhất nằm ở vị trí các máy chủ của các CUG khác nhau Một hay nhiều kết nối vật lý giữa Hub với một hay nhiều máy chủ có thể sẽ khá tốn kém bởi vì các đường liên lạc này sẽ gánh toàn bộ lưu lượng dữ liệu của các CUG Một giải pháp có tính trực tiếp hơn, tức là kết hợp các máy chủ với Hub, có thể sẽ không có tính khả thi, bởi vì nói chung mỗi CUG luôn muốn giữ hệ thống máy tính (các máy chủ)

của họ tại vị trí của mình (ví dụ như bên cạnh các SCC) Vì vậy, phải cần các đường truyền có dung lượng lớn để kết nối các máy chủ với Hub Tất nhiên, điều này cũng có thể được thực hiên thông qua đường truyền vệ tinh Tuy nhiên, nếu cần phải tránh hiện tượng trễ đường truyền vệ tinh tăng lên gấp đôi, thì phải dùng đường truyền mặt đất

Và điều này có thể rất phức tạp và tốn kém, đặc biệt là trong trường hợp kết nối liên quốc gia

2.1.1.3 Các mạng VSAT hình sao với Hub phân phối

Hình 2.3

Để giải quyết vấn đề trên đây, một giải pháp khác đã được đưa ra như giờ thiệu trong hình 2.1.3, đặc biệt là đối với các mạng VSAT lớn Trong cấu hình này của mỗi mạng con nhất định đều có trạm Hub của riêng mình Điều này cho phép kết hợp mỗi máy chủ với một Hub tại các vị trí CUG Việc quản lý tổng thế được thực hiện bởi một hệ điều hành chung ở cấp hệ thống, thông qua NCC NCC này được kết nối đến các Hub của mạng con, thông qua các đường truyền vệ tinh chẳng hạn (ví dụ như thông qua sử

dụng 1 VSAT nào đó) Một mạng như vậy được gọi là mạng VSAT hình sao với Hub