Chuong5 THIẾT kế MẠNG VSAT IPSTAR THỰC tế tại VIỆT NAM

Việc thiết kế đường truyền vô tuyến cho thông tin vệ tinh VSAT IPSTAR tại Việt Nam sẽ có các đặc điểm như: địa hình khoảng thông tin, khí hậu lượng mưa, mạng hữu tuyến hình thức kết nối…

CHƯƠNG 5

THIẾT KẾ MẠNG VSAT IPSTAR THỰC TẾ TẠI VIỆT

NAM

5.1 Giới thiệu chương.

Việc thiết kế đường truyền vô tuyến cho thông tin vệ tinh VSAT IPSTAR tại Việt Nam sẽ có các đặc điểm như: địa hình (khoảng thông tin), khí hậu (lượng mưa), mạng hữu tuyến (hình thức kết nối)… sẽ khác nhiều so với Châu Âu nói riêng trên thế giới nói chung Vì lý do đó, khi thiết kế mạng VSAT IPSTAR tại Việt Nam gặp nhiều khó khăn trong việc chọn loại Anten, vệ tinh (hệ số EIRP)… để có thể đáp ứng được tỷ

số (C/No) cho phép

Nhưng với địa hình 1/3 là đồi núi, và hải đảo thì tuyến thông tin vệ tinh là giải pháp hữu hiệu hơn rất nhiều so với thông tin hữu tuyến (kể cả cáp quang)

5.2 Tính toán đường truyền tuyến thông tin vệ tinh ThaiCom-1A đối với trạm mặt đất đặt tại Đà Nẵng

5.2.1 Giới thiệu về vệ tinh và các thông số ban đầu.

Trong phần này ta tính các thông số của tuyến thông tin vệ tinh cụ thể trạm mặt đất đặt tại TP Đà Nẵng có Vĩ độ là 160 Bắc - Kinh độ 108,30 Đông, thông tin với vệ tinh địa tĩnh THAICOM 1A có kinh độ 1200 Ðông là quỹ đạo vệ tinh ta xin đăng ký với ITU có khả năng chấp nhận nhất Ta giả sử đang làm việc với băng Ku với tuyến xuống 12.7 (GHz) và tuyến lên 14.25 (GHz)

Số liệu ban đầu:

Việc tính toán thiết kế được thực hiện trên băng Ku với đường lên là 14.25 (GHz) và đường xuống là 12.7 (GHz) Với một trạm GetWay (trạm cổng) và 3 nhóm (N = 3) UserTerminal Mỗi nhóm gồm 20 trạm UT (G = 20) Trong đó trạm cổng GW truy nhập theo kiểu TDMA, 3 nhóm UT truy nhập theo kiểu FDMA với mỗi trạm trong nhóm truy nhập theo kiểu TDM

 Trạm mặt đất:

Trạm mặt đất đặt tại Đà Nẵng có các đặc điểm sau:

 Vĩ độ là 160 Bắc

 Kinh độ 108.20 Đông

 Trạm mặt đất có anten đường kính

 DUT 1.2 m và hiệu suất 65% (η = 65%)

 DGW 5.5m và hiệu suất 75% (η = 75%)

(do đường kính-công suất GW lớn hơn UT)

 Công suất máy phát trạm mặt đất

 PTX(UT)sat = 1W

 PTX(GW)sat = 5W

 Vị trí của vệ tinh là 1200 Đông

 EIRP SLsat của vệ tinh là 43 dBW

 Băng thông kênh truyền B = 36MHz

 Hệ số mật độ dòng công suất bức xạ bão hòa ФSLsat = -85 dBW/m2

 Hệ số phẩm chất của máy thu vệ tinh (G/T)s = 2.5dB/0K

 Suy hao độ lệch hướng phân cực (Depointing Loss):

 Đối với UT LTX = 1.2 (dB) (phát)

LRX = 0.9 (dB) (thu)

 Đối với GW LTX = LRX = 0.5 dB

 Suy hao độ lệch tâm và suy hao phân cực:

LRmax = 0.9 (dB) (suy hao lệch tâm thu)

Lpol = 0.1 (dB) (suy hao phân cực)

 Suy hao do fiđơ:

LFTX = 0,2dB (phát) và LFR = 0,5dB (thu)

 Hệ số suy hao do mưa (độ cao vùng mưa 3,028Km) chọn A = 6dB

 Hệ số suy hao do tầng đối lưu 0,02dB/Km.

 Nhiệt độ môi trường xung quanh trạm mặt đất :

 TGround = 30 0K

GW SL

UTRain   Sky 

UT SL

GWSky Rain  

 Tuyến thông tin từ trạm UT =*> Vệ tinh => GW gặp mưa ở tuyến lên UT

 Tuyến thông tin từ trạm GT => Vệ tinh =*> UT gặp mưa ở tuyến xuống UT

 Trước tiên ta phải tính thông số mạng như sau:

5.2.2 Tính toán thông số mạng (Network IPSTAR).

Cấu hình mạng cụ thể mạng VSAT IPSTAR thực hiện trên băng Ku với đường lên là 14,25(GHz) và đường xuống là 12,7(GHz) Với một trạm GetWay (trạm cổng)

và 3 nhóm (N = 3) UserTerminal mỗi nhóm gồm 20 trạm UT (G = 20) Băng thông vệ tinh cung cấp : 36MHz , tốc độ bit trạm UT : Rb = 64 kb/s, tốc độ bit trạm GW : Rb =

128 kb/s Yêu cầu tốc độ lỗi BER = 10-7,với Eb/No =10,2 (dB) (không điều chế) và Eb/

No = 5,4 (dB) (đã điều chế BPSK); kiểu điều chế BPSK với tốc độ RR = 0.5 và hiệu suất phổ Г = 0.7 b/sHz , tỉ lệ phần trăm bảo vệ (nhiễu băng thông) 20%

5.2.2.1 Tính toán băng thông thực của nhóm UT

Trước hết ta phải tính tốc độ bit của nhóm UT sau điều chế BPSK:

R b UT

R b(UT) = R b * R R = 64*1/2 = 128 kb/s

Băng thông thực tế của nhóm UT được tính bằng biểu thức:

kHz

R

G

b ( ) 1280.7 182.8 183 )





5.2.2.2 Tính toán băng thông thực của trạm GW.

Trước hết ta phải tính tốc độ bit của nhóm GW sau điều chế BPSK:

s kb R

R

R b(GW)  b* R  256 * 0 5  512 /

Băng thông thực tế của trạm được tính bằng biểu thức:

kHz

R

B b GW

GW ( ) 5120.7731.4732





5.2.2.3 Tính toán băng thông thực của toàn mạng

Băng thông thực tế của toàn mạng được tính bằng biểu thức:

% 100

% 20

% 100

)





5.2.2.4 Tính toán (C/N o ) t yêu cầu toàn tuyến trong mạng

 Đối với (C/No)t yêu cầu toàn tuyến trạm nhóm UT với Rb = 64kb/s và Eb/

No = 3,6 (dB) trong mạng

 ( ) 10 lg 5 , 4 10 lg( 64 10 ) 53 , 46 ( ) )

/

)

N

 Đối với (C/No)t yêu cầu toàn tuyến trạm GW với Rb = 256kb/s trong

mạng Eb/No = 4,2 (dB) trong mạng

 ( ) 10 lg 5 , 4 10 lg( 256 10 ) 59 , 48 ( ) )

/

)

N

5.2.2.5 Tính toán hiệu suất sử dụng băng thông

Hiệu suất sử dụng băng thông được tính bằng biểu thức:

% 3 4 36

54 1 100

% 100



























BW

B t



5.2.3 Tính toán cự ly thông tin, góc ngẩng, góc phướng vị

5.2.3.1 Tính toán cự ly thông tin

Từ công thức (4.1) ta có:

0 cos cos( ) cos( 16 ) cos( 120 108 , 3 ) 0 , 94

cos    L s  L e   

0 =19,73 0

 cự ly thông tin R R e2 r2  2R e.r cos0

Thay số vào ta có:

R 6378 2  42146 2  2 6378 42146 0 , 94  36216 (Km)

*Tính góc ngẩng θ e :

34 , 2 337 , 0

788 , 0 73

, 19 sin 42146

6378 94

, 0 sin

cos

0 0

0

















R Tg

e

Từ đó suy ra θ e = 66.8 0

*Góc phướng vị Φ e :

Góc phướng vị A tính theo công thức (4.2):

16 sin

7 , 11 )

sin

0













 tg L tg

e



Φ e là một số âm và bằng -36,870

Suy ra Φ e =1800-36,870 =143,130

5.3 Tính toán tuyến lên (UpLink)

5.3.1 Công suất phát của trạm mặt đất P TXe

Đây là công suất phát thực của trạm mặt đất tính từ Anten trạm mặt đất và được tính bằng biểu thức (4.3):

PTXe(W)= OBO + PTXsat (W)

PTXe (dBW)= 10lg(PTXe )

10 10

dB OBO

OBO 

Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT: (PTXsat = 1W)

 

  0,25( ) 1

10 10

6

W W

P

dB



 Đối với trạm GW: (PTXsat = 5W)

 

  0,79( ) 5

10 10

8

W W

P

dB



5.3.2 Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất G TXe

Hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất GTXe tính bằng biểu thức (4.4):

c Df

G TXe  10 lg(  )  20 lg(  U)  20 lg( ) Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT: (D = 1,2m; η = 0.65)

) ( 2 43 ) 10 3 lg(

20 ) 10 25 , 14

* 2 , 1

* 14 , 3 lg(

20 ) 65 , 0 lg(

 Đối với trạm GW: (D = 5,5m; η = 0.75)

) ( 7 , 56 ) 10 3 lg(

20 ) 10 25 , 14

* 5 , 5

* 14 , 3 lg(

20 ) 75 , 0 lg(

Công suất bức xạ hiệu dụng EIRPe được tính bằng biểu thức (4.5):

TXe TXe

EIRP  10 lg( )  [dBW] Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT: (PTXe ;GTXe tính cho trạm UT bên trên )

) ( 2 , 37 2 , 43 ) 25 , 0 lg(

 Đối với trạm GW: (PTXe ;GTXe tính cho trạm UT bên trên )

) ( 7 , 55 7 , 56 ) 79 , 0 lg(

5.3.4 Tổng suy hao tuyến lên L U

Suy hao tuyến lên trong không gian tự do được tính theo biểu thức (4.7):

) lg(

20 ) 4 lg(

20 f R c

Thay số vào ta được:

7 206 ) 10 3 lg(

20 ) 10

* 36216

* 10

* 25 14

* 14 , 3

* 4 lg(



FS

L

Và Suy hao tuyến lên Anten được tính theo biểu thức (4.8):

5 , 6 6 5 ,





 AG rain

Với: AAG : suy hao tầng đối lưu

Arain : suy hao do mưa

Tổng suy hao tuyến lên được tính bằng biểu thức (4.6):

 Có mưa : L U(Rain) LFSL A(Rain)  206 , 7  6 , 5  213 , 2 (dB)

 Không mưa: L U(Sky) LFSL A(Sky)  206 , 7  0 , 5  207 , 2 (dB)

5.3.5 Độ lợi Anten phát (/m 2 ) G 1

Độ lợi của anten phát (trên 1m2) được tính bằng biểu thức (4.9):

c

f dB

2































Thay số vào ta được:

  10 lg 4 3 , 14 20 lg 14 , 25 10 9 20 lg 3 10 8 44 , 53 ( )

5.3.6 Mật độ dòng công suất bức xạ hiệu dụng của trạm mặt đất Ф 1 (dBW/m 2 )

Mật độ dòng công suất bức xạ hiệu dụng được tính bằng công thức (4.10):

1 dBW/m EIRP e dBW  L U G



Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT: (EIRPe ;G1 tính cho trạm UT bên trên )

)

(

1UT  37 , 2  213 2  44 , 53   131 , 47dBW/m



 Đối với trạm GW: (EIRPe ;G1 tính cho trạm GT bên trên )

)

(

1GW  55 , 7  207 , 2  44 , 53   107dBW/m



5.3.7 Độ lùi đầu vào IBO.

IBO1 được tính bởi công thức (4.11):

sat

IBO



1

1 

1

2

1 dBW/m dBW/m dBW/m

Với : Ф1 : Mật độ dòng công suất bức xạ mặt đất trên 1m2

Фsat : Mật độ dòng công suất bức xạ bão hòa (vệ tinh) trên 1m2 Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT: (EIRPe ;G1 tính cho trạm UT bên trên )

) (

1 131 , 47 85 46 , 47 dBW/m

 Đối với trạm GW: (EIRPe ;G1 tính cho trạm GW bên trên )

) (

1 106 , 67 85 21 , 67 dBW/m

b) Độ lùi đầu vào tổng IBO t

IBO1 được tính bởi công thức (4.12):

dBW /m2 dBW /m2 dBW/m2

Hay: 10 lg 10 10 10 10  / 2

1 1

m dBW N

IBO

GSky

IBO

















Thay số vào ta được:

10 ) 22 ( 10

) 47 , 46 ( )

















5.3.8 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên (C/N o ) U

5.3.8.1 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/N o ) Usat

Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa (C/No)Usat được tính theo công thức (4.13):

     G T k

G N

C

SL sat

Usat

/

1











 /  85 44 , 53 2 , 5 10 lg( 1 , 38 10 23 ) 101 , 57 ( )

dBHz N

5.3.8.2 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên một trạm mặt đất (C/N o ) U1

Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên của trạm mặt đất (C/No)Usat được tính theo công thức (4.14):

sat O U











Trong đó: (C/No)Usat :Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến lên bão hòa

IBO1 :Độ lùi đầu vào của một trạm mặt đất

Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT:

C/N oU(Rain)  101 , 6  46 , 47  55 , 1 (dBHz)

 Đối với trạm GW:

C/N oU  101 , 6  21 , 67  79 , 9 (dBHz)

5 4 Tính toán kết nối đường xuống (DOWNLINK).

5.4.1 Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất G Rxe

Hệ số khuếch đại anten thu trạm mặt đất có biểu thức tính tương tự như đối với

hệ số khuếch đại anten phát trạm mặt đất (4.15):

2

log













c

Df

RXe





dB

c Df

G RXe  10 lg(  )  20 lg(  D)  20 lg( )

Do tần số phát xuống khác với tần số phát lên (fd=12,7GHz) nên hệ số khuếch đại anten thu tuyến xuống khác với hệ số khuếch đại anten thu tuyến lên Vậy để có suy hao tuyến xuống ta tính lại các hệ số khuếch đại anten như trên

Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT: (D = 1,2m; η = 0.65)

) ( 19 , 42 ) 10 3 lg(

20 ) 10 7 , 12

* 2 , 1

* 14 , 3 lg(

20 ) 65 , 0 lg(

 Đối với trạm GW: (D = 5,5m; η = 0.75)

) ( 03 , 56 ) 10 3 lg(

20 ) 10 7 , 12

* 5 , 5

* 14 , 3 lg(

20 ) 75 , 0 lg(

Tổng suy hao tuyến lên được tính bởi công thức (4.16):

A FS

L   (dB) Trong đó: LFS - suy hao tuyến xuống trong không gian tự do

LA - suy hao do Anten Suy hao tuyến lên Anten (do mưa và tầng đối lưu) được tính giống như tuyến lên:

Trong đó suy hao tuyến xuống không gian tự do tính theo biểu thức (4.17):

) ( 7 , 205 )

10 3 lg(

20 ) 10

* 36216 10 7 , 12 14 , 3 4 lg(

20

) lg(

20 ) 4 lg(

20

8 3

L

c d

f L

FS

D FS









 

(dB) Với LA được tính như ở trên

 Tổng suy hao tuyến lên:

Sky dB

L L L

Rain dB

L L L

khi A

FS D

khi A

FS D

 













 













) ( 2 , 206 5 0 7 , 205

) ( 2 , 212 5 6 7 , 205

5.4.3 Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất (G/T) E

Hệ số phẩm chất của trạm mặt đất (G/T)E được tính bằng biểu thức(4.18):

E

T

G

max (dB/0K) Trong đó: (G/T)Emax : Hệ số phẩm chất cực đại của trạm mặt đất

LR =0,9 (dB) : suy hao lệch tâm.

Lpol =0,1 (dB) : Suy hao do phân cực







) ( 9 , 4

) ( 4 , 1

dB dB

Rain Sky





: Tổng suy hao do Feeder và do mưa

Ở đây (G/T)Emax được tính bằng biểu thức(4.20):













min max

/

D E R

T

G/TEmax G RmaxE  10 logT Dmin

Trong đó : GRmax : Độ lợi Anten thu

TDmin : Nhiễu nhiệt đường xuống Với TDmin được tính bằng biểu thức:

R ground sky

Trong đó : Tsky = 70K : nhiễu nhiệt bầu trời

Tground = 300K : nhiễu nhiệt mặt đất

TR = 800K : nhiễu nhiệt thu

min  7  30  80  117

Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT:

G/TEmax  42 , 19  10 lg( 117 )  21 , 5 (dB)

E  21 5,  0 9,  0 1,  4 9,  15 6, ( )   

 Đối với trạm GW:

G/TEmax  56 , 03  10 lg117 35 , 3 (dB)

5.4.4 Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến xuống bão hòa (C/N o ) Dsat

Tỷ số sóng mang trên tạp âm tuyến xuống bão hòa (C/No)Dsat được tính theo công thức (4.21):

 /  ( ) ( / 2) ( )   ( / ) 10 log ( / )

N

ES D

SLsat

Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT:

C/N Dsat  43  212 , 2  15 , 6  10 log( 1 , 38 10  23 )  75 (dBHz)  Rain

0

 Đối với trạm GW:

 /  43 206 , 2 31 , 1 10 log( 1 , 38 10 23 ) 98 , 2 ( )

N

5.4.5 Độ lùi đầu ra OBO.

a) Tổng độ lùi đầu ra OBO t

Tổng độ lùi đầu ra OBOt được tính bằng biểu thức (4.23):











 









 







dB IBO

dB dB

dB OBO

dB IBO

dB IBO dB

OBO

t vói

t

t vói

t t

0 5

) ( 0 ) (

5 )

5 ) ( ( 9 0 ) (

Thay số vào ta được:

) ( 15 )

5 67 , 21 ( 9

b) Độ lùi đầu ra OBO 1

Tổng độ lùi đầu ra OBOt được tính bằng biểu thức (4.24):

) 5 ) ( ( 9 0 )

1 dB  IBO dB 

OBO

Trong đó : OBOt : tổng độ lùi đầu ra

IBO1 : độ lùi đầu vào của trạm mặt đất

Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT: (Sử dụng IBO1 của GW)

) ( 15 )

5 67 , 21 ( 9 0

 Đối với trạm GW: (Sử dụng IBO1 của UT)

) ( 3 , 37 )

5 47 , 46 ( 9 0

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương một sóng mang EIRP1 được tính bằng công thức (4.22):

Hoặc: EIRP1 EIRP SLsat(dBW) OBO1(dB) [dBW]

Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT:

) ( 28 ) 15 ( 43

 Đối với trạm GW:

) ( 7 , 5 ) 3 , 37 ( 43

5.4.7 Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến xuống trên một sóng mang (C/

N o ) D1

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến xuống trên một sóng mang (C/No)D1 được tính bằng biểu thức (4.25):

Dsat

D OBO C N N















0 1

1 0 / Trong đó: OBO1 : độ lùi đầu ra của một trạm

(C/No)Dsat : Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến xuống bão hòa Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT:

C/N0D1   15  75  60 (dBHz)

 Đối với trạm GW: (Sử dụng IBO1 của UT)

C/N0D1   37 , 3  98 , 2  61dBHz

5.4.8 Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống trên sóng mang (C/N o ) IM (IM – InterModulation: xuyên điều chế).

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu xuyên điều chế tuyến xuống trên sóng mang (C/No)IM được tính bằng biểu thức (4.26):

C/N0 79 10 logN 1 65 (IBO (dB) 5 ) vói IBO t 5 (dB)

t

Trong đó: N : số nhóm trạm UT

IBOt : tổng độ lùi đầu ra

Thay số vào ta được:

C/N0IM  79  10 log 3  1 , 65 (  21 , 63  5 )  101 , 7 (dB)

5.4.9 Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu giao thoa tuyến xuống trên sóng mang (C/N oi ) D (i – interference:giao thoa).

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu giao thoa tuyến xuống trên sóng mang (C/

Noi)D được tính bằng biểu thức (4.27):

) 65 1 log(

25 32

, min log 10 log

10 /

max

max , max

, 0

















RX

N i i

SLi SLw

D i

G

B B B

EIRP EIRP

N C

(dBHz) Trong đó: EIRPSLw,max = 43dBW : Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ

tinh phát đáp trong mạng

EIRPSLi,max = 52dBW: Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh phát đáp mạng khác (i: interference)

Bi = 26MHz, BN = 36MHz: Băng thông giao thoa, băng thông cả nhóm

GRXmax: Độ lợi Anten thu cực đại

α = 40 : Góc lệch của vệ tinh giao thoa

Thay số vào ta được:

 Đối với trạm UT:

C/N iD 43 50 10 log( 26 10 6 ) 42 , 19 32 25 log( 1 , 65 4 0 ) 93 , 8dBHz

 Đối với trạm GW: (Sử dụng IBO1 của UT)

C/N iD 43 50 10 log( 26 10 6 ) 56 , 03 32 25 log( 1 , 65 4 0 ) 111 , 6dBHz

5.4.10 Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu toàn tuyến trên sóng mang (C/N o ) t

Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu toàn tuyến (C/No)t được tính bằng biểu thức (4.28):

0

1 0

1 0

1









N





























10

/ 10

/ 10

/ 10

/

/N t C N0U C N0 D C N0 IM C N t

C

(dBHz) Trong đó : (C/No)U : Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến lên

(C/No)D : Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu tuyến xuống

(C/No)IM : Tỷ số sóng mang trên tạp âm nhiễu xuyên điều chế