Nghiên cứu kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho hệ thống lại ghép giữa mạng thông tin vệ tinh và mạng mặt đất

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮTADC Analog-to-digital converter Mạch chuyển đổi tương tự ra sốADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Đường dây thuê bao số không đối xứng AGC Automatic gain control

MỤC LỤC

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH VÀ KỸ THUẬT VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 3

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh 3

1.1.1 Sự ra đời của các hệ thống thông tin vệ tinh 3

1.1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống vệ tinh: 4

1.1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh 11

1.1.4 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 11

1.1.5 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh 13

1.1.6 Đa truy nhập 16

1.2 Tổng quan về vô tuyến nhận thức 21

1.2.1 Định nghĩa vô tuyến nhận thức 21

1.2.2 Hoạt động của vô tuyến nhận thức 23

1.2.3 Các chức năng chính của mạng vô tuyến nhận thức 26

1.2.4 Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức 27

1.2.5 Mô hình hệ thống của mạng vô tuyến nhận thức 28

1.2.6 Kết luận chương 1 37

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MẠNG MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG MẶT ĐẤT – VỆ TINH TRONG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN 38

2.1 Các cấu trúc mạng mặt đất dùng trong thông tin vệ tinh 38

2.1.1 Giới thiệu chung về cấu trúc hệ thống thông tin mạng mặt đất 38

2.1.2 Các cấu trúc mạng mặt đất trong TTVT 41

2.2 Tích hợp hệ thống vệ tinh và mặt đất trong truyền thông đa phương tiện tương lai 46

2.2.1 Vai trò của vệ tinh trong tương lai 47

2.2.2 Xu hướng công nghệ và mạng mặt đất trong tương lai 52

2.2.3 Cấu trúc hệ thống và các vấn đề về công nghệ 55

2.3 Kết luận chương 2 59

CHƯƠNG 3: VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CHO HỆ THỐNG LAI GHÉP GIỮA MẠNG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ MẠNG MẶT ĐẤT 61

3.1 Tổng quan về hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất 61

3.1.1 Giới thiệu 61

3.1.2 Khái niệm về Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất 61

3.1.3 Động cơ chính cho Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất 62

3.1.4 Các kịch bản mạng cho các hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất 63

3.1.5 Các chức năng mạng của hệ thống lai ghép vệ tinh-mặt đất 70

3.1.6 Các kỹ thuật nâng cao hiệu suất cho các hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất 73

3.1.7 Vệ tinh-UMTS hoặc S-UMTS - Kịch bản triển khai trong tương lai của Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất 74

3.1.8 Các ví dụ về mạng lưới các Hệ thống vệ tinh-Hybrid Hybrid 75

3.1.9 Xu hướng hiện tại và tương lai đối với hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất 78

3.2 Vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất 79

3.2.1 Giới thiệu về Vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất 79

3.2.2 Kế hoạch áp dụng 81

3.2.3 Nhận thức trong hệ thống vệ tinh và mặt đất 84

3.2.4 Vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất 86

3.2.5 Tái sử dụng phổ trong miền không gian 3D với CSTR 91

3.3 Kết luận chương 3 94

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 95

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

ADC Analog-to-digital converter Mạch chuyển đổi tương tự ra

sốADSL Asymmetric Digital Subscriber

Line

Đường dây thuê bao số không đối xứng

AGC Automatic gain control Điều khiển độ lợi tự động

AWGN Additive White Gaussian

Noise

Tạp âm Gausse trắng cộng sinh

BSC Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc

BSS Broadcast Satellite Services Dịch vụ Vệ tinh Quảng báBTS Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di độngBWA Broadband wireless access Truy nhập không dây băng

thông rộngCDMA Code Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo mã

CDN Content Delivery Network Mạng lưới phân phối nội dung

CSTR Cognitive Satellite Terrestrial

FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước

FSS Fixed Satellite Services Dịch vụ vệ tinh cố định

GEO Geostationary satellite Vệ tinh địa tĩnh

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợpGPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầuGSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động

toàn cầuHAP High altitude platforms Tầng cao độ

HSTS Hybrid Satellite Terrestrial

System

Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử

IF Intermediate Frequency Tần số trung tần

IMR Intermediate Module Repeater Bộ lọc mô-đun trung gianIPTV Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet

ITU International Telegraph Union Tổ chức viễn thông quốc tế

thuộc Liên hiệp quốcLAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấpMANET Mobile Ad-hoc Networks Mạng tùy biến di động

MBMS Multimedia

Broadcast/Multicast Services

Hệ thống dịch vụ Quảng bá/ Multicast đa phương tiệnMIH Media Independent Handovers Truyền hình độc lập

MSS Mobile Satellite Services Dịch vụ Vệ tinh Di động

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

PAN Personal area networks Mạng các nhân

PLMN Public Land Mobile Network Mạng di động mặt đất công

cộngPSTN Public Switched Telephone

Network

Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng

QID Queue IDentifiers Trình xác minh hàng chờ

QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

RAN Regional area network Mạng khu vực

RCS Return channel via satellite Kênh nhận thông qua vệ tinhREM Radio Environment Maps Bản đồ môi trường vô tuyến

RNC Radio Network Controller Bộ điều khiển thông tin di động

thế hệ 3

SD Satellite Dependent Vệ tinh phụ thuộc

S-DMB Satellite digital multimedia

STC Space-time Coding Mã hóa không-thời gian

S-UMTS Satellite component of the Thành phần Vệ tinh của Hệ

Universal Mobile Telecommunication System

thống Viễn thông Di động Toàn cầu

TDMA Time Division Multiple

Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TVRO Television Receiver Only Truyền hình chỉ thu

UMTS Universal Mobile

Telecommunication System

Hệ thống viễn thông di động toàn cầu

VCO Vol Cotrol OSC Bộ dao động điều khiển bằng

điện áp VOD Video On Demand Video theo yêu cầu

VSAT Very Small Aperture Terminal Trạm thông tin vệ tinh - mặt

đất cỡ nhỏWRAN Wireless Regional Areas

Network

Mạng không dây khu vực

WWRF Wireless World Research

Forum

Diễn đàn Nghiên cứu Thế giới Không dây

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sự phát triển của vệ tinh di động 4

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống tích hợp khả thi 10

Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 12

Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 14

Hình 1.5 Sơ đồ khối chức năng của bộ phát đáp đơn giản 15

Hình 1.6: Cấu hình của một trạm mặt đất 16

Hình 1.7: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 17

Hình 1.8: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 18

Hình 1.9: Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA ) 19

Hình 1.10: Minh họa hố phổ 24

Hình 1.11: Các hoạt động chính của mạng vô tuyến nhận thức 25

Hình 1.12: Các chức năng giao tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức 26

Hình 1.13: Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức 28

a) Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức 30

Hình 1.14: Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức 31

Hình 1.15: Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người dùng chính và người dùng phụ 31

Hình 1.16: Sơ đồ khối của nút trong vô tuyến nhận thức 32

b) Mô hình tổng thể của mạng Vô tuyến nhận thức 32

Hình 1.17: Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức 33

c) Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức 35

Hình 1.18: Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép 36 Hình 1.19: Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép .36

Hình 2.2: Đường lên và đường xuống 43

Hình 2.3 Cấu trúc mạng hình sao 43

Hình 2.4 Cấu trúc mạng hình mạng lưới 43

Hình 2.5 Cấu hình mạng hỗn hợp 45

Hình 2.6 Sự phát triển của hệ thống viễn thông 47

Hình 2.7 Các dịch vụ vệ tinh và vùng phủ sóng 51

Hình 2.8 Bước tiến từ các dịch vụ đơn sang đa dịch vụ trên nền IP 52

Hình 2.9: Mạng lưới phân tầng 54

Hình 3.1: Cấu trúc lai ghép với mạng vệ tinh DVB-S2 / RCS cùng mạng mặt đất WiMAX 62

Hình 3.2: Liên kết vệ tinh một chiều được thực hiện trong mạng mặt đất cho thiết bị di động người dùng 64

Hình 3.3: Liên kết vệ tinh một chiều dùng trong mạng mặt đất cho đầu cuối cố định 65

Hình 3.4: Liên kết vệ tinh hai chiều triển khai trong mạng mặt đất cho thiết bị di động người dùng 66

Hình 3.5: Liên kết vệ tinh hai chiều dùng trong mạng mặt đất cho đầu cuối cố định 67

Hình 3.6: Backhaul của các dịch vụ di động sử dụng phân đoạn vệ tinh trong hệ thống lai ghép 68

Hình 3.7 Cấu trúc lai ghép vệ tinh - mặt đất với MANET 68

Hình 3.8 Cấu trúc lai ghép sử dụng phân đoạn vệ tinh để kết nối nhóm BTS với BSC hoặc tập hợp lưu lượng từ BSC đến MSC trong trường hợp PLMN 69

Hình 3.9: Vệ tinh dựa trên Mạng lưới cung cấp nội dung CDN 70

Hình 3.10 Kỹ thuật tích hợp đa dạng trong hệ thống lai ghép 73

Hình 3.11: Cấu trúc S-UMTS tham khảo 75

Hình 3.12: Hệ thống IEEE 802.22 RAN dựa trên hệ thống HSTS với Vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất 82

Hình 3.13: UWB PAN dựa trên HSTS với các đài vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất siêu băng rộng: 82

Hình 3.14: Chu kỳ nhận thức 86

Hình 3.15: Mô hình chung của Vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất 87

Hình 3.16 Mô hình cảm biến phổ 3D dựa theo trạm mặt đất 91

Hình 3.17 Các đặc tuyến bổ sung ROC cho việc sử dụng lại tần số không gian 3D, và dò ISU trên mặt đất dựa trên độ cao ISU 92

Hình 3.18 Các đặc tuyến ROC bổ sung cho việc sử dụng lại tần số không gian 3D, trong việc dò ISU trên mặt đất dựa trên độ cao vệ tinh 93

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tóm tắc ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống đa truy nhập

khác nhau

Bảng 2.1 Các cấu trúc mạng cơ bản trong thông tin

Bảng 3.1: So sánh xu hướng Công nghệ lai ghép Vệ tinh - mặt đất qua

từng thời điểm

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, với sự bùng nổ của công nghệ, điện thoại thông minh, mạng xãhội, nhu cầu chia sẻ dữ liệu, hình ảnh, video… gia tăng nhanh chóng gây ra áplực rất lớn về lưu lượng trên các hệ thống truyền tải Cùng với việc dải tần ngàycàng bị thu hẹp do nhiều dịch vụ mới được cấp phép dẫn đến yêu cầu phải tậndụng tối đa tài nguyên phổ tần số Hiện tại, các hệ thống thông tin vô tuyến được

áp dụng chính sách cấp phát tần số cố định Theo đó, các ứng dụng khác nhauđược cấp phép với những dải tần số (băng thông) đã được hoạch định sẵn bởi cơquan quy hoạch phổ tần Quốc gia Việc cấp phép dải tần cố định này đảm bảongười dùng dịch vụ ở dải tần này không gây can nhiễu đến những người dùng ởdải tần khác Tuy có nhiều ưu điểm nhưng nhược điểm lớn nhất của phươngpháp cấp phát tần số cố định là không tận dụng được tối đa tài nguyên băngthông Theo Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kì – FCC hiệu suất sử dụng dảitần số đã được cấp phép chỉ khoảng 15-85% trên phổ tần khả dụng Điều này đặt

ra yêu cầu cấp thiết đó là phát triển một công nghệ vô tuyến mới có khả năngnâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, tránh lãng phí tài nguyên tần số

Công nghệ Cognitive Radio (vô tuyến nhận thức) được phát triển để đápứng nhu cầu trên Hệ thống vô tuyến nhận thức bằng những kỹ thuật riêng củamình sẽ khai thác các dải thông có thời điểm bị bỏ trống để cung cấp băng thôngcho các dịch vụ vô tuyến thông qua kiến trúc mạng tiên tiến, mềm dẻo và khảnăng truy cập phổ tần linh hoạt Cùng với hệ thống lại ghép vệ tinh - mặt đất,việc ngày càng sử dụng các thiết bị thông minh và tăng tải trên mạng mặt đất đểcung cấp các dịch vụ dữ liệu băng thông cao cùng với các dịch vụ thoại, các hệthống lai ghép vệ tinh - mặt đất có thể được sử dụng hiệu quả và nâng cao hiệusuất sử dụng mạng thông tin vệ tinh để phục vụ cho nhu cầu càng ngày càngtăng Ngoài ra, các vấn đề trong việc phủ sóng ở mọi nơi, thậm chí ở các vùngsâu vùng xa, với sự hoàn chỉnh các dịch vụ sẵn có ở khu vực thành thị, có thể có

xu hướng sử dụng các hệ thống lai ghép Vì vậy, vô tuyến nhận thức hoạt độngtrên nền hệ thống vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm, đặc biệt là khi tích

Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh và kỹ thuật vô tuyến nhận thứcChương 2: Hệ thống mạng mặt đất trong thông tin vệ tinh và tích hợp hệthống mặt đất – vệ tinh trong truyền thông đa phương tiện

Chương 3: Vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép giữa mạng thông tin

vệ tinh và mạng mặt đất

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH VÀ KỸ THUẬT

VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh mới chỉ xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua nhưng đãphát triển rất nhanh chóng trên thế giới cũng như trong nước ta, mở ra một thời

kỳ phát triển mới cho sự phát triển trong mội lĩnh vực khoa học - đời sống nóichung và đặc biệt trong ngành viễn thông nói riêng Sau đây, chúng ta cùngnhau đi tìm hiểu về lịch sử phát triển, đặc diểm, cũng như cấu trúc tổng thể vànguyên lý hoạt động của thông tin vệ tinh

1.1.1 Sự ra đời của các hệ thống thông tin vệ tinh

Thông tin vô tuyến qua vệ tinh là thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vựctruyền thông và mục tiêu của nó là gia tăng về mặt cự ly và dung lượng với chiphí thấp, kết hợp sử dụng hai kĩ thuật tên lửa và vi ba đã mở ra kỷ nguyên thôngtin vệ tinh Dịch vụ được cung cấp theo cách này bổ sung một cách hữu ich chocác dich vụ mà trước đó độc nhất chỉ do các mạng ở dưới đất cung cấp, sử dụng

vô tuyến và cáp

Kỉ nguyên vũ trụ được bắt đầu vào năm 1957 với việc phóng vệ tinh nhântao đầu tiên (vệ tinh Sputnik của Liên Xô cũ) Những năm tiếp theo các vệ tinhkhác cũng lần lượt được phóng như SCORE phát quảng bá (năm 1958), vệ tinhphản xạ ECHO(1960), các vệ tinh chuyển tiếp băng rộng TELSTAR và RELAY(1962) và vệ tinh địa tĩnh đầu tiên là SYNCOM (1963)

Trong năm 1965 vệ tinh địa tỉnh thương mại đầu tiên INTELSAT-1 đánhđấu sự mở đầu cho hàng loạt các vệ tinh INTELSAT Cùng năm đó, Liên Xô cũcũng đã phóng vệ tinh truyền thông đầu tiên trong loạt vệ tinh truyền thôngMOLNYA

1.1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống vệ tinh:

 Hệ thống vệ tinh di động

Hình 1.1 Sự phát triển của vệ tinh di động.

Hình 1.1 thể hiện một số mốc quan trọng và các hệ thống vệ tinh di độngchính (MSSs) từ đó mà ra Điều thú vị mà ta cần lưu ý, đó là INMARSAT bắtđầu có mặt cùng khoảng thời gian với các nhà khai thác di động đầu tiên cungcấp các dịch vụ tương tự thế hệ đầu Trong giai đoạn đầu, INMARSAT cung cấpcác dịch vụ thoại và tốc độ dữ liệu thấp cho các thị trường hàng hải trên các tàulớn trong dải L sử dụng vệ tinh phủ sóng toàn cầu Trong giai đoạn 1990-1991,INMARSAT đã bổ sung các dịch vụ hàng không cho máy bay chở khách và một

số loại xe, với việc giới thiệu các vệ tinh có công suất cao hơn Điều này đãđược thực hiện trong năm 1997-1998 với hoạt động trên toàn thế giới trongMSSs và giới thiệu phân trang, chuyển hướng, tăng chỉ số cho máy tính đầucuối INMARSAT đã tập trung vào việc sử dụng các vệ tinh địa tĩnh (GEO), và

vào giữa những năm 1990, một số hệ thống GEO khu vực nổi lên trong cạnhtranh (ví dụ, OMNITRACS, EUTELTRACS, AMSC và OPTUS) tập trung vàocác phương tiện giao thông đường bộ và sử dụng cả hai băng L và Ku Đây chỉ

là những thành công mang tính tương đối, trong khi INMARSAT đã xây dựngđược cơ sở khách hàng của mình lên khoảng 250.000 Nghiên cứu chính trongnhững năm cuối thập niên 80 và đầu những năm 90 hướng tới các chòm sao tínhiệu không phải là GEO, chủ yếu để tạo điều kiện cho liên kết ngân sách vàgiảm sự chậm trễ cho các dịch vụ thoại tới các thiết bị đầu cuối cầm tay, điềunày cho thấy quỹ đạo thấp trái đất (LEO) và quỹ đạo thường (MEO) dựa trênchòm sao tín hiệu từ 10-66 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu Lúc này, IRIDIUM vàGLOBALSTAR đã bắt đầu triển khai dịch vụ, nhưng đã quá muộn để cạnh tranhvới sự lan rộng của GSM về phủ sóng mặt đất và về kinh doanh, thay vì các nềncông nghệ đã đi vào “Chương 11 của sự phá sản” vào đầu những năm 2000 Bàihọc rút ra, đó là các chòm sao tín hiệu quá đắt, lên đến 10 tỷ USD để triển khai,trừ khi thị trường có sự tăng trưởng ban đầu lớn để cung cấp khả năng hoàn vốnnhanh Cả hai hệ thống hiện nay đều đang tồn tại, nhưng ít khách hàng hơn dựkiến (Orbcomm, một nhà cung cấp chủ yếu các thiết bị đầu cuối cố định LEO,cũng đã chịu số phận tương tự) ICO - hệ thống MEO được đề xuất, cũng đãtrình làng một vệ tinh trước khi nhận ra rằng việc kinh doanh này không thànhcông

Để giúp phát triển ngành công nghiệp vệ tinh di động trong tương lai, một

Tổ chức Hệ thống di động Vệ tinh Cao cấp Châu Âu (ASMS-TF) được thànhlập vào năm 2001, và ngày nay hoạt động trong lĩnh vực nghiên cứu và pháttriển, tiêu chuẩn và các vấn đề về quản lý [12]

Vào giữa những năm 1990, các siêu vệ tinh GEO lớn hơn được đề xuấtvới công suất 5 kW và 100-200 điểm thay vì các thế hệ trước của GEO với côngsuất 3-4 kW và 5-10 điểm Một số hệ thống như vậy đã được đề xuất, nhưngmột trong những hệ thống đã thành công để bước vào thị trường vào đầu nhữngnăm 2000 là THURAYA, dựa trên tiêu chuẩn GMR-1 của Viện Tiêu chuẩn Viễn

vụ số hiện có từ 64 đến 432 kb /; từ mạng diện rộng (GAN) đến Băng thôngrộng GAN (BGAN).

Mặc dù các nhà khai thác đã có bước di chuyển từ di động mặt đất sangCDMA, INMARSAT đã tiếp tục phát triển hệ thống TDMA, nhưng cung cấpcác dịch vụ dựa trên gói 3G tương đương

Vì vậy, các bài học kinh nghiệm từ vệ tinh di động là:

• Các chòm sao quỹ đạo LEO và elip (HEO) được cho là quá đắt để cạnhtranh với GEO hoặc các hệ thống di động, vì vậy thị trường đã quay lại vớiGEO

• Vệ tinh về phương diện kinh tế chỉ có thể cung cấp các dịch vụ thích hợpcho các khu vực không thể tiếp cận với dịch vụ di động; do đó, đối với các dịch

vụ thị trường đại chúng cần phải có sự tích hợp, chứ không phải để cạnh tranh,

mà là để tích hợp với di động

• Chọn dịch vụ phù hợp nhất với cơ cấu phân chia vệ tinh

• Sử dụng thuộc tính phủ sóng rộng của vệ tinh

Dựa vào các yếu tố trên, hệ thống Vô tuyến truyền hình số vệ tinh đaphương tiện (S-DMB) đã được đề xuất trong các dự án của Liên minh Châu Âu(EU) SATIN [10], MoDiS [13] và MAESTRO [14] để cung cấp các dịch vụMBMS cho người sử dụng trong vùng phủ sóng di động mặt đất cũng như bênngoài Hệ thống S-DMB được đề xuất chủ yếu tập trung vào các dịch vụ phânphối nội dung hoặc dịch vụ push type, nơi nội dung được đẩy tới các thiết bị đầucuối, bất cứ khi nào các tài nguyên có sẵn và được lưu trữ trong bộ nhớ cache

cục bộ để phục hồi sau này Cấu trúc được đặc trưng bởi các bộ đệm khe hởhoặc bộ lặp mô đun trung gian (IMR) nằm ở các trạm cơ sở 3G chỉ định, phát tínhiệu MBMS trên đất liền trong dải MSS liền kề, để cho phép thâm nhập vào khuvực đô thị và đô thị.

Một khái niệm tương tự đã được thông qua trong hệ thống MBSAT [15]hiện đang hoạt động tại Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi mà xu hướng dịch vụ làtruyền hình di động hơn là nội dung video Các hệ thống này có sự cạnh tranh từMBMS trong 3G và từ DVB-H, nhưng cung cấp một thị trường với cơ hội thực

sự mới cho vệ tinh, và quan trọng nhất là việc phân phối hệ thống chuẩn đầutiên

Các hệ thống DAB thông qua vệ tinh S-DAB (DARS ở Hoa Kỳ) cũng nênđược đề cập trong bối cảnh này, vì truyền thanh vô tuyến là một ví dụ khác vềphân chia nội dung Ý tưởng này được nảy ra khoảng từ năm 1990, khi CD radiođầu tiên được trình lên tại Hoa Kỳ Một số hệ thống đã được đề xuất bởi các tiêuchuẩn S-DAB được sản xuất với WORLDSPACE [16] vào giữa những năm

1990, có lẽ là đối thủ hàng đầu với vệ tinh của nó bao gồm Châu Á, Caribê vàChâu Mỹ

Dịch vụ phát thanh quảng bá số mặt đất T-DAB đã không được lan rộng,với mạng lưới U.K giới hạn có thể được phát triển tốt nhất Tại Hoa Kỳ, vàođầu những năm 2000, hai hệ thống thương mại bắt đầu hoạt động: Đài XM sửdụng vệ tinh GEO, và vệ tinh vô tuyến SIRIUS sử dụng vệ tinh HEO Cả hai hệthống đều bổ sung khoảng cách mặt đất theo cách tương tự với hệ thống được đềxuất bởi SDMB và MBSAT Việc sử dụng các vệ tinh HEO rất thú vị, vì chúngđược phủ sóng tốt hơn ở khu vực đô thị do góc độ cao hơn và giảm số lượng cáckhoảng trống cần thiết Hiện tại XM có khoảng 3,5 triệu khách hàng, cònSIRIUS có 1,5 triệu khách hàng tại Hoa Kỳ

Khi chúng ta xem xét băng rộng di động trong vệ tinh, thị trường chínhdành cho phương tiện chở khách (máy bay [17], tàu thủy và tàu hỏa) ngoại trừ

hệ thống INMARSAT BGAN, nơi có nhiều khách hàng hơn có thể sử dụng dịch

vụ băng thông Dịch vụ Connexions của Boeing (CBB) [18] bắt đầu khai tháccác đường truyền băng thông với máy bay vào năm 2002 và hiện đang theo đuổicác thị trường khai thác hàng hải Công nghệ ở đây tương tự như mô hình cựcnhỏ (VSAT) với sự phân bố trong phương tiện CBB đã lắp đặt đầu cuối với một

số hãng hàng không Các hệ thống VSAT đã bắt đầu hoạt động kinh doanh dầungoài khơi nhưng nhanh chóng mở rộng sang các tàu du lịch biển và các nhàkhai thác lòng biển, sử dụng băng tần Ku và cung cấp các dịch vụ thương mại,

kỹ thuật và điều hướng cho hành khách và phi hành đoàn Một số nhà khai thác

vệ tinh thực hiện các dịch vụ như vậy Sự mở rộng cũng có thể được thực hiệnđối với phương tiện giao thông đường bộ, và các dự án về chương trình khungcủa EU 6 (FP6) DRIVE / OVERDRIVE [19] và FIFTH [20] đã nghiên cứu thịtrường xe lửa / xe tải / xe hơi

Các chương trình băng rộng nói chung vẫn còn bị ảnh hưởng từ hiệu quả

sử dụng khả năng vệ tinh kém, gây ra tốn kém Một giải pháp cho điều này nằmxung quanh việc giới thiệu tiêu chuẩn DVB-S2 mới vào năm 2003 [21] Về cơbản là nhằm vào các hệ thống cố định, kết hợp các chương trình mã hoá và điềuchế thích ứng (ACM), khi hoạt động kết nối với kênh vệ tinh phát đáp (RCS),cho phép tối ưu hóa các thông số truyền cho mỗi kết nối riêng lẻ phụ thuộc vàođiều kiện đường dẫn Một loạt các chương trình điều chế khóa chuyển pha PSK

và PSK thích ứng (APSK) và mã LDPC cung cấp tối ưu hóa gói theo gói để đápứng khi gặp phải các điều kiện kênh thay đổi bất lợi Tiêu chuẩn mới cho phépmột loạt các đầu vào dữ liệu bao gồm cả IP Kết hợp sơ đồ ACM DVB-S2 vớicác vệ tinh đa băng Ka và link hồi đáp DVB-RCS, công suất vệ tinh hiện tại cóthể tăng thêm 10 lần hoặc nhiều hơn Bước tiếp theo là giới thiệu tính di độngvào tiêu chuẩn, sau đó sẽ cho phép sử dụng cho kết nối băng thông đa phươngtiện di động như đã đề cập ở trên

 Hệ thống vệ tinh cố định

Các hệ thống vệ tinh cố định vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọngtrong mạng lõi, mà trên cơ sở điểm – điểm vẫn có thể cạnh tranh với các liên kết

mặt đất ở một số khu vực có phủ sóng và giảm cơ sở hạ tầng là những lợi thế.Các nhà khai thác vệ tinh quốc tế lớn như INTELSAT, SES GLOBAL, vàEUTELSAT vẫn là những doanh nghiệp hoạt động hiệu quả Điều thú vị cần lưu

ý là các mô hình kinh doanh của họ đã phát triển; họ đã chuyển từ trạng tháiIGO sang các công ty tư nhân Họ đã chuyển từ bán băng thông sang bán các kếtnối dịch vụ - từ megahertz đến megabit mỗi giây - và bây giờ họ có tài sản gồm

cơ sở hạ tầng cũng như các vệ tinh Ngành công nghiệp đã phát triển rất vừaphải, và phần lớn các vệ tinh vẫn là loại phát đáp trong suốt hoạt động ở cácbăng tần C, Ku và Ka, nhưng với các chùm tia ngày càng phức tạp Ống kỹ thuật

số vẫn là thành công lớn sử dụng truy cập đa tần số (FDMA), với TDMA vàchuyển mạch kênh TDMA (SS-TDMA) nhưng chưa thực sự bắt kịp Vệ tinh vẫngiữ được thể loại rõ ràng, trừ một số vệ tinh quảng bá truyền hình kỹ thuật số đãchấp nhận chuyển mạch onboard giới hạn Quá trình xử lý toàn bộ trên bo mạch

đã được xem là quá rủi ro do thiếu tính linh hoạt của phân bổ kênh và tốc độ bit.Mặt khác, lưu lượng truy cập đã thay đổi, với IP bây giờ là một tỷ lệ phần trămlớn của toàn bộ thông qua các ISP Vệ tinh vẫn giữ được công suất từ thấp đếntrung bình, điều đó có nghĩa là hiệu quả sử dụng phổ tần vô tuyến vẫn thấp sovới các hệ thống mặt đất Như với di động, chúng ta đã thấy các vệ tinh cố địnhphát triển riêng biệt với mặt đất trong cả hai tiêu chuẩn và các nhà khai thác nếukhông có sự cung cấp tích hợp

Sự thành công của các tiêu chuẩn DVB-S / S2 ở châu Âu cũng đã dẫn tớicác hệ thống hai chiều kết hợp VSATs với hệ thống RC hay băng Ku hoặc Ka.Đây được coi là những cách khác để cung cấp các dịch vụ IP và kết hợp cácmạng lưới Tuy nhiên, hiệu quả của việc phân phối IP vẫn còn thấp so với mặtđất, nơi DSL không đối xứng (ADSL) vẫn chiếm ưu thế ở các nước phát triển

Mạng VSAT ở Châu Âu chưa thực sự cất cánh như mong đợi và chưa đạtđược quy mô hoặc khối lượng của các đối tác Hoa Kỳ; chi phí và hiệu quả lànhững lý do chính

Vùng cuối cùng của việc sử dụng các vệ tinh cố định là trong truy cậpbăng rộng, nơi phạm vi phu sóng và tốc độ thực hiện đã được khỏa lấp Các khuvực nông thôn và ngoại thành trên khắp châu Âu và đặc biệt ở Đông Âu lànhững vùng mà các thiết bị đầu cuối vệ tinh đã được triển khai rộng rãi cho đếnthời điểm này Tuy nhiên, khi ADSL được triển khai dần dần ở các quốc giaphát triển hơn, chi phí lớn hơn cho vệ tinh không thể cạnh tranh được Có nhiềuthảo luận về khoảng cách kỹ thuật số (hay khoảng cách thiếu thốn), và khôngcòn nghi ngờ gì về việc các khu vực rộng lớn của châu Âu sẽ không được phủsóng bởi các hệ thống mặt đất rẻ hơn Tuy nhiên, nó sẽ có ý nghĩa chính trị đểgiải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng vệ tinh, vì rất khó để xem làm thế nàochỉ với kinh tế thuần túy, sẽ có thể hỗ trợ chuyển giao vệ tinh

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống tích hợp khả thi

Vì vậy, thông điệp dành cho các hệ thống vệ tinh cố định trong tương lailà:

• Tích hợp nhiều hơn với các hệ thống mặt đất, vì vệ tinh không thể cạnhtranh ở các khu vực đô thị / ngoại thành, nhưng hiệu quả hơn ở các vùng nôngthôn.

Thông qua các tiêu chuẩn tương thích sẽ cho phép các thiết bị rẻ hơn vàcung cấp linh hoạt

• Tăng hiệu quả hệ thống Để giảm chi phí cho mỗi bit với các vệ tinh cócông suất hạn chế, họ phải ứng dụng công nghệ tiên tiến trước các hệ thống mặtđất để đạt được hiệu quả cần thiết từ 50-100%

• Cần xử lý oanboard linh hoạt với số lượng chùm liên kết lớn, nghĩa làxoay quanh băng tần Ka và cao hơn Xử lý onboard phải cho phép các kênhbăng thông biến đổi được sử dụng dịch vụ linh hoạt

• Quy mô hệ thống của các vệ tinh nên nhỏ hơn và công suất cao hơn, đểtránh những chi phí rất cao lên hệ thống Các vệ tinh như vậy có thể kết nối vớiquỹ đạo, và mở rộng và định hình lại khi nhu cầu tăng lên

1.1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưng được phát triển nhanh chóng,bởi nó có nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác, đó là:

 Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu

 Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ

 Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đấttương đối nhanh chóng, không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thốngtruyền dẫn

 Hệ thống thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau nhưviễn thông thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mụctiêu, nghiên cứu khí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh…

 Thông tin vệ tinh rất ổn định Đã có nhiều trường hợp bão to, động đấtmạnh làm cho các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhấtthông tin vệ tinh hoạt động

 Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cungcấp điện hầu như ngày lẫn đêm

Tuy vậy thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm đó là:

 Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn

 Bức xạ của sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn trong môitrường truyền sóng

1.1.4 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Quỹ đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong không gian mà trong

đó vệ tinh được cân bằng bởi hai lực đối nhau Hai lực đó là lực hấp dẫn của tráiđất và lực ly tâm được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh Quỹ đạo vệtinh có 3 thông số quan trọng đó là: khoảng cách từ vệ tinh đến mặt đất, hìnhdạng và góc nghiêng so với mặt bình độ Một thông số chung của nó là mặtphẳng chuyển động của vệ tinh phải đi qua tâm trái đất quỹ đạo của vệ tinh nằmtrên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc hình elip Nếu quỹ đạo là hình trònthì tâm của quỹ đạo tròn trùng với tâm của trái đất

Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh

Nếu quỹ đạo là hình elip thì có một đầu nằm xa trái đất nhất gọi là viễn điểm(apogee) và đầu gần trái đất nhất gọi là cận điểm (perigee )

Quỹ đạo thông dụng hiện nay của vệ tinh là những dạng quỹ đạo sau đây

a) Các quỹ đạo hình elip:

Loại quỹ đạo này đảm bảo phủ sóng các vùng vĩ độ cao dưới một gócngẩng lớn góc ngẩng lớn là đặc biệt cần thiết trong những ứng dụng như

- Giảm thiểu việc chặn các tia do sự che khuất vệ tinh của các cao ốc và câycối

- Việc bám vệ tinh được dễ dàng hơn

- Giảm bớt được tạp âm mà anten trạm mặt đất thu nhận do can nhiễu từcác hệ thống thông tin vô tuyến dưới mắt đất

b) Các quỹ đạo tròn:

 Quỹ đạo cực

Vệ tinh có quỹ đạo tròn và có độ cao khoảng vài trăm đến vài nghìn kmvới mặt phẳng quỹ đạo chứa trục quay của trái đất, loại quỹ đạo này đảm bảorằng vệ tinh có thể đi qua các vùng của trái đất người sữ dụng loại quỹ đạo nàycho các vệ tinh quan sát (observation satellite) như vệ tinh SPOT và phủ sóngtoàn cầu như chùm vệ tinh IRIDUM (gồm 77 vệ tinh)

 Quỹ đạo nghiêng

Khi măt phẳng quỹ đạo không chứa trục quay trái đất và cũng khôngvuông góc với trục của nó Một số vệ tinh được tổ chức thành chum vệ tinh cóquỹ đạo dạng tròn nay, ở độ cao thấp (cỡ 1000km) có khả năng phủ sóng toàncầu trực tiếp đến người sữ dụng như ( GLOBAL STAR, LEOSAT …)

 Quỹ đạo xích đạo

Quỹ đạo này nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất và các vệ tinhtrên quỹ đạo này được gọi là vệ tinh địa tĩnh (GEO- geostationary satellite) Độcao quỹ đạo là 35768km vệ tinh trong trường hợp này xuất hiện như một điểm

cố định trên bầu trời với vùng phủ sóng của vệ tinh là 43% diện tích của bề mặttrái đất ba vệ tinh vệ tĩnh trong trường hợp này có thể phủ sóng toàn cầu

Việc lựa chọn quỹ đạo nào trong thực tế còn phụ thuộc vào các ứng dụng

cụ thể, độ can nhiễu mà hệ thống có thể chấp nhận được

Để vệ tinh có thể giữ nguyên vị trí của mình trong quỹ đạo đã được xácđịnh, người ta sử dụng một trong hai kĩ thuật ổn định đó là ổn định quay hoặc ổnđịnh ba trục

1.1.5 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh.

Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh gồm hai phần: phân đoạn vũtrụ (space segment) và phân đoạn mặt đất (ground segment) Hình 1.2 mô tả cấutrúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh

 Phân đoạn vũ trụ

Phân đoạn vũ trụ bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và hệthống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra, theo dõi và điều khiển vệtinh (các hệ thống bám, đo đạc và điều khiển) Bản thân vệ tinh bao gồm phầntải (payload) và phần nền (platform) Phần tải bao gồm các anten thu/phát và tất

cả các thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn các sóng mang Phần nền baogồm tất cả các hệ thống phục vụ cho phần tải hoạt động ví dụ như: cấu trúc vỏ

và khung, nguồn cung cấp điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng và quỹđạo, thiết bị đẩy, bám, đo đạc

Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh

Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi làtuyến lên (uplink) Vệ tinh lại truyền các sóng vô tuyến sau khi đã biến đổi tần

số và khuếch đại tới các trạm thu vệ tinh đặt trên mặt đất và được gọi là tuyếnxuống (downlink)

Chất lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởithông số sóng mang trên tạp âm (C/N) Chất lượng của tổng thể tuyến liên lạc từtrạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác được quyết định bởi chất lượng củatuyến lên và tuyến xuống trong đó bao gồm cả kĩ thuật điều chế và mã hóa được

sữ dụng

Trong mỗi vệ tinh được đặt một số bộ phát đáp (transponder) để thu tínhiệu từ tuyến lên, biến đổi tần số, khuếch đại công suất và truyền trở lại trêntuyến xuống

Đối với một trạm mặt đất cỡ lớn, do độ rộng của búp sóng chính của antenrất hẹp cho nên trạm mặt đất phải cần phải có các thiết bị bám vệ tinh để đảmbảo chất lượng đường truyền (trục anten hướng đúng vệ tinh) Với các trạm mặtđất cỡ nhỏ do độ búp sóng của anten khá lớn cho nên trong trường hợp nàykhông cần thiết phải có các thiết bị bám sát vệ tinh.

Hình 1.6: Cấu hình của một trạm mặt đất

Trong thực tế một bộ phát đáp của vệ tinh có thể phục vụ cùng mộtlúc nhiều trạm mặt đất khác nhau Đó là nhờ vào phương pháp đa truy nhập kĩthuật mà trạm mặt đất dùng để truy nhập bộ phát đáp vệ tinh đó là FDMA,TDMA, CDMA

1.1.6 Đa truy nhập

Trong các hệ thống thông tin vệ tinh kĩ thuật đa truy nhập là một phươngpháp để cho nhiều trạm sử dụng chung một bộ phát đáp Hiện nay có 3 phươngpháp chính được dùng đó là:

 Đa truy nhập phân chia theo tần số ( FDMA – Frequency DivisionMultiple Access)

Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất Với hệ thống này, mỗi trạmmặt đất phát một sóng mang có tần số sóng mang khác với tần số sóng mang củacác trạm khác Mỗi sóng mang được phân cách với sóng mang khác bằng nhữngbăng tần bảo vệ thích hợp, sao cho chúng không chồng lấn lên nhau ( hinh 1.5)

Hình 1.7: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

FDMA có thể được sử dụng cho bất kì hệ thống điều chế nào: điều chếtương tự hoặc điều chế số Một trạm mặt đất thu chọn lựa các tín hiệu nó cầnthông tin bằng một bộ lọc băng thông

Phương pháp này cho phép tất cả các trạm truyền dẫn liên tục, nó có ưuđiểm không cần thiết điều khiển định thời đồng bộ và thiết bị sử dụng khá đơngiản, hiệu quả sử dụng công suất vệ tinh của nó cũng không thấp Tuy nhiênphương pháp này thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân bố kênh

 Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time DivisionMultiple Access)

Là hệ thống trong đó các trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp trên

cơ sở phân chia theo thời gian Để làm được điều này cần sử dụng một sóngmang điều chế số Hệ thống TDMA thường định ra một khung trong miền thờigian gọi là khung TDMA: khung này được phân chia ra và mỗi một khoảng chiađược phân cho từng trạm

Mỗi một trạm phát sóng mang của nó trong một khoảng thời gian ngắn đãđược phân (khe thời gian) trong khung thời gian Cần để ra một khoảng thờigian trống ( thời gian bảo vệ) giữa 2 khe thời gian cạnh nhau sao cho các sóngmang phát từ nhiều trạm không chồng lên nhau trong bộ phát đáp (hình 1.6)

Hình 1.8: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Mỗi trạm thu sẽ tách ra những phần sóng mang của chính nó dựa trên cơ

sở phân chia theo thời gian trong nhưng tín hiệu nhận được Hệ thông TDMA cóthể sử dụng tốt nhất công suất vệ tinh và có thể dể dàng thay đổi được dunglượng truyền tải nên hệ thống này có ưu điểm là linh hoạt trong việc chấp nhậnthay đổi trong thiết lập tuyến

 Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA – Code Division MultipleAccess)

Với đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA ) các trạm của mạng phátliên tục và cùng phát trên một băng tần như nhau của kênh Nhưng các sóngmang này trước đó đã được điều chế bằng một mẫu bit đặc biệt quy định chomỗi trạm mặt đất trước khi phát tín hiệu điều chế Do đó ở loại đa truy nhập nàyngay cả khi có nhiều tín hiệu điều chế được đưa vào bộ phát đáp, thì trạm mặtđất thu có thể tách tín hiệu từ các tín hiệu khác bằng cách sử dụng một mẫu bítđặc biệt để thực hiện quá trình giải điều chế

Các tín hiệu từ tất cả các trạm đều có cùng một vị trí trong bộ phát đáp cả

về thời gian lẫn tần số Ở phía thu thực hiện quá trình trải phổ ngược sử dụng mãgiống như mã trải phổ sử dụng ở phía phát và lấy ra tín hiệu ban đầu Điều nàycho phép chỉ thu các tín hiệu mong muốn ngay cả khi các sóng mang trải phổvới các mã khác đến cung thời gian (hình 1.7)

Hình 1.9: Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA )

Ưu điểm của hệ thống CDMA là hoạt động đơn giản, do nó không đòi hỏibất kì sự đồng bộ truyền dẫn nào giữa các trạm Đồng bộ duy nhất là đồng bộcủa máy thu với chuổi của sóng mang thu được Kĩ thuật này đạt hiệu quả trongviệc chống lại sự can nhiễu từ hệ thống khác và can nhiễu do hiện tượng đađường truyền Nhược điểm là hiệu suất thấp

Ngoài ra còn có thể sử dụng một trong các kĩ thuật như: Chế độ đa truy nhậpgán cố định, chế độ đa truy nhập gán theo nhu cầu, đa truy nhập phân chia theothời gian chuyển mạch vệ tinh Với đa truy nhập gán cố định, các kênh vệ tinhđược phân bố cố định cho tất cả các trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có haykhông có các cuộc gọi phát đi, còn đa truy nhập gán theo nhu cầu thì các kênh

vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ các trạm mặt đất cóliên quan Với các vệ tinh SS-TDMA các anten chùn hẹp khác nhau đượcchuyển mạch tại thời điểm thích ứng trong chu kì khung TDMA để hướng cácchùm phát và thu theo hướng mong muốn

Bảng 1.1: Tóm tắc ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống đa truy nhập

khác nhau

FDMA

- Thủ tục nhập đơngiản

- Cấu hình phươngtiện trạm mặt đấtđơn giản

- Thiếu linh hoạttrong thay đổi thiếtlập tuyến

- Hiệu quả thấp khi

số sóng mang tăng

- Dễ dàng ứngdụng việc phânphối theo yêucầu

TDMA

- Hiệu quả sử dụngtuyến cao thậm chíkhi tăng số các trạmtruy nhập

- Linh hoạt caotrong việc thay đổithiết lập tuyến

- Yêu cầu đồng bộcụm

- Công suất phát cầnthiết của trạm mặt đấtcao

- Có thể ứngdụng SS-TDMAnếu có thể

- Bảo mật tiếng nóicao

- Hiệu quả sử dụngbăng tần kém

- Yêu cầu đườngtruyền với băng tầnlớn

- Phù hợp vớicác hệ thống cócác trạm nhỏ

1.2 Tổng quan về vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới mang đến những thay đổi mangtính cách mạng trong việc sử dụng tài nguyên phổ tần số Công nghệ vô tuyếnnhận thức được thiết kế nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, những ngườidùng vô tuyến nhận thức có khả năng sử dụng những dải tần chia sẻ mà khônggây nhiễu tới các người dùng được cấp phép Vô tuyến nhận thức cho phép cácthiết bị đầu cuối có thể cảm biến và sử dụng một cách linh hoạt phổ tần sẵn cótại một thời điểm nhất định Phần này sẽ đề cập cái nhìn tổng quan về công nghệ

vô tuyến nhận thức, các khái niệm, đặc tính cũng như hoạt động của vô tuyếnnhận thức

1.2.1 Định nghĩa vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới, do đó định nghĩa “Vô tuyếnnhận thức” được các cá nhân và tổ chức trên thế giới nhìn nhận theo nhiều cáchkhác nhau Một định nghĩa về các hệ thống thích nghi – AS đã được giới thiệutrong các quy định vô tuyến cách đây một thập kỷ Các hệ thống thích nghi đượcđịnh nghĩa là có khả năng tự thay đổi các thông số, trong đó có tần số và côngsuất để tăng cường chất lượng thu Hiện nay, những hệ thống như vậy bị giớihạn bởi các băng tần trung và cao, do các điều kiện truyền dẫn thay đổi nhiều.Các quy định quản lý khả thi cho các hệ thống thích nghi đang hạn chế hoạtđộng của các hệ thống này ở các băng do các dịch vụ dành cho an ninh cũng nhưcác dịch vụ thiên văn học vô tuyến, xác định vô tuyến, các dịch vụ nghiệp dư vàquảng bá Cùng với sự phát triển của công nghệ, khả năng của các hệ thốngthích ứng được cải thiện Phần mềm đóng một vai trò quan trọng trong khíacạnh này và ngày càng khả thi hơn trong việc phân tích môi trường vô tuyến vàđiều chỉnh các thông số của hệ thống theo môi trường Chẳng hạn việc kết hợpthiết bị vô tuyến và phần mềm mang lại hương đi mới trong giải quyết vấn đềnghẽn tần số và tăng cường hiệu quả của việc sử dụng tần số

Thuật ngữ “vô tuyến nhận thức” lần đầu tiên xuất hiện trong một tờ báonăm 1999, nó được Joseph Mitola định nghĩa như sau: “Vô tuyến nhận thức là

mô hình vô tuyến sử dụng những suy luận chặt chẽ để đạt được mục tiêu cụ thể

đã thiết lập trong các miền vô tuyến liên quan”

Cũng trong công trình nghiên cứu về công nghệ vô tuyến nhận thức củamột bài báo, tác giả Simon Haykin đã nêu định nghĩa sau: “Vô tuyến nhận thức

là một hệ thống truyền thông không dây nhận thức có khả năng nhận biết về môitrường xung quanh nó từ đó học hỏi để thích nghi với sự thay đổi của môitrường bằng cách thay đổi các tham số hoạt động cụ thể (ví dụ: côngsuất phát, tần số sóng mang, phương thức điều chế) trong thời gian thực, vớihai đặc tính chính: truyền thông độ tin cậy cao tại mọi thời điểm và sử dụng hiệuquả phổ tần số vô tuyến”

FCC định nghĩa vô tuyến nhận thức dựa trên nền tảng vận hành máy phátnhư sau: “Là một hệ thống vô tuyến mà có thể thay đổi các tham số của máyphát dựa trên sự tương tác với môi trường mà nó hoạt động”

Trong khi trợ giúp FCC nỗ lực đưa ra định nghĩa vô tuyến nhận thức,IEEE đã đưa ra định nghĩa: “Một bộ phát/thu tần số vô tuyến mà được thiết kế

để phát hiện một cách thông minh các phân đoạn riêng lẻ của phổ tần đang được

sử dụng, từ đó có thể truy nhập vào các phổ tần chưa được sử dụng một cáchnhanh chóng, linh hoạt, không gây nhiễu tới các người dùng được cấp phép”

Hay một định nghĩa khác đi sâu vào cách thức hoạt động, cấu trúc của vôtuyến nhận thức: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống mà các phần tử của nó có khảnăng thay đổi các tham số (công suất, tần số, các tham số điều chế,…) trên cơ sởcảm nhận và tương tác với môi trường hoạt động Theo đó, thiết bị vô tuyếnđịnh nghĩa bằng phần mềm – SDR sẽ là một phần tử quan trọng trong hệ thống

vô tuyến nhận thức Các tham số của SDR có thể thay đổi một cách linh độngbằng phần mềm mà không cần phải thay đổi cấu trúc phần cứng Mục đích của

vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt động trên các dảitần còn trống tạm thời mà không gây nhiễu đến các hệ thống vô tuyến có quyền

ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó”

 Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện

cụ thể của trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô tuyếncùng chiếm dụng

 Thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mãhoá sửa lỗi để cho phép đạt được băng thông tốt nhất có thể

 Tạo và điều khiển búp sóng thích ứng (Adaptive Beamforming)theo đối tượng truyền thông

Cuối cùng ta có thể tiến tới một định nghĩa chung nhất về vô tuyến nhận

thức như sau: Vô tuyến nhận thức là hệ thống có khả năng phân tích, cảm nhận môi trường xung quanh, từ đó thay đổi các tham số truyền dẫn để đạt được mục đích sử dụng phổ tần sẵn có một cách hiệu quả và tiết kiệm nhất

1.2.2 Hoạt động của vô tuyến nhận thức

Từ định nghĩa trên ta có thể thấy vô tuyến nhận thức có hai đặc điểmchính sau:

- Khả năng nhận thức: Khả năng mà công nghệ vô tuyến có thể nắm bắthoặc cảm nhận các thông tin từ môi trường vô tuyến Khả năng này không chỉđơn giản là thực hiện giám sát công suất trong một số băng tần số quan tâm màcòn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắm bắt sự biến đổi của môitrường vô tuyến theo không gian và theo thời gian nhằm tránh nhiễu ảnhhưởng tới những người dùng khác Thông qua khả năng này, các phần phổkhông sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định có thể được xác định Từ

đó, hệ thống có thể lựa chọn được khoảng phổ tốt nhất và các thông số hoạtđộng phù hợp nhất không gây ảnh hưởng đến người dùng được cấp phép

- Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép vô tuyến nhận thức có khảnăng tự động thích ứng theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến Đặc biệt, vôtuyến nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận trên các tần số khácnhau và để sử dụng các công nghệ truy nhập truyền dẫn khác nhau được hỗ trợbởi phần cứng Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: tần số hoạt động,tham số điều chế, công suất phát Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận thức làtận dụng được phổ tần có sẵn một cách tốt nhất thông qua khả năng tự nhận thức

và tính tự cấu hình Vì hầu hết phổ tần đã được gán, nên thách thức lớn nhất là

sử dụng chia sẻ phổ tần được cấp phép mà không gây can nhiễu tới quá trìnhtruyền dẫn của những người dùng được cấp phép khác

Vô tuyến nhận thức cho phép sử dụng những vùng phổ trống theo từngthời điểm, phổ này ám chỉ hố phổ hay khoảng trắng (hình 1.10) Nếu dải phổnày được người dùng sơ cấp (người dùng được cấp phép) sử dụng tiếp thì nhữngngười dùng vô tuyến nhận thức phải chuyển đến hố phổ khác hoặc nếu vẫn ởtrong cùng một băng thì phải thay đổi mức công suất phát hoặc sơ đồ điều chế

để tránh nhiễu:

Hình 1.10: Minh họa hố phổ

Hình 1.11: Các hoạt động chính của mạng vô tuyến nhận thức

Hình 1.11 thể hiện các nhiệm vụ chính của một mạng vô tuyến nhận thức.Các nhiệm vụ này có thể được phân loại như sau:

- Cảm nhận phổ/Cảm biến phổ: Vô tuyến nhận thức giám sát các dải phổsẵn có, thực hiện các kỹ thuật cảm biến phổ để xác định vị trí các hố phổ hayvùng phổ tạm thời chưa được sử dụng

- Quản lý phổ: Chiếm giữ phần phổ tần tốt nhất để đưa ra các kế hoạchphân bổ phổ cho các người dùng một cách hợp lý

- Dịch chuyển phổ: Đảm bảo các yêu cầu truyền thông thông suốt và liêntục

- Chia sẻ phổ: Phân chia phổ tần hợp lý giữa các người dùng vô tuyếnnhận thức đang cùng tồn tại

Các mạng vô tuyến nhận thức cho phép các giao thức truyền thông nhận

biết phổ Tuy nhiên, việc sử dụng phổ tần động gây ra các ảnh hưởng bất lợi đếncác hệ thống vô tuyến sử dụng dải tần cấp phép cố đinh

Hình 1.12: Các chức năng giao tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức

Hình 1.12 minh họa giao thức giao tiếp giữa các lớp trong mô hình mạng

vô tuyến nhận thức Chính sự tác động này đòi hỏi mạng vô tuyến nhận thứcphải có chức năng thiết kế đa lớp Đặc biệt, việc cảm biến phổ và chia sẻ phổphải được kết hợp để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ Trong chức năng chia sẻ

và dịch chuyển phổ, các chức năng ở lớp ứng dụng, truyền tải, định tuyến, truynhập phương tiện và lớp vật lí được thực hiện đồng thời

Như vậy, chức năng cảm biến phổ tần được thực hiện tại lớp vật lý trongkhi chức năng chia sẻ phổ được thực hiện chủ yếu tại lớp liên kết dữ liệu

1.2.3 Các chức năng chính của mạng vô tuyến nhận thức

Các công nghệ vô tuyến nhận thức cung cấp khả năng sử dụng và chia sẻphổ theo cơ hội Các kỹ thuật truy nhập phổ tần động cho phép vô tuyến nhậnthức hoạt động trong kênh tốt nhất có sẵn Cụ thể hơn, công nghệ vô tuyến nhậnthức cho phép người dùng có các khả năng:

 Xác định các khoảng phổ sẵn có và phát hiện ra những người dùng sơcấp khi người dùng đó hoạt động trong băng cấp phép – Cảm biến phổ

 Lựa chọn kênh tốt nhất trong vùng phổ trống – Quản lí phổ

 Phân bổ phổ tần khả dụng cho người dùng – Chia sẻ phổ

 Bỏ kênh đang chiếm dụng khi phát hiện người dùng sơ cấp – Dịchchuyển phổ

1.2.4 Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức

Dựa vào một số phân tích ở trên ta nhận thấy mạng Vô tuyến nhận thức

có các đặc điểm cơ bản như sau:

 Khả năng nhận thức: Khả năng nhận thức là khả năng mà công

nghệ vô tuyến nắm bắt hoặc cảm biến được các thông tin từ môi trường vôtuyến Khả năng này không chỉ đơn giản là thực hiện giám sát công suất trongmột số băng tần số quan tâm mà còn yêu cầu nhiều công nghệ phức tạp để nắmbắt sự biến đổi của môi trường vô tuyến theo không gian và theo thời gian,nhằm tránh gây nhiễu ảnh hưởng tới những người dùng chính Thông qua khảnăng này, các phần phổ không sử dụng tại một thời điểm hoặc vị trí nhất định

có thể được xác định Từ đó, nó có thể lựa chọn được phổ tốt nhất với cácthông số hoạt động phù hợp nhất để sử dụng

 Tính tự cấu hình: Tính tự cấu hình cho phép mạng vô tuyến có

khả năng lập trình tự động theo sự thay đổi của môi trường vô tuyến Đặc biệt,

Vô tuyến nhận thức có thể được lập trình để truyền và nhận thông tin trên cáctần số khác nhau và để sử dụng các công nghệ truy cập truyền dẫn khác nhauđược phần cứng hỗ trợ Một số thông số tự cấu hình cần chú ý là: Tần số hoạtđộng, điều chế, công suất phát, công nghệ truyền

Mục tiêu cơ bản của vô tuyến nhận thức là tận dụng được phổ tần có sẵntốt nhất thông qua khả nhận thức và tính tự cấu hình Vì hầu hết phổ tần đãđược cấp phép, nên thách thức quan trọng nhất là sử dụng chia sẻ phổ tầnđược cấp phép mà không gây nhiễu tới quá trình truyền dẫn của những ngườidùng chính được cấp phép khác

1.2.5 Mô hình hệ thống của mạng vô tuyến nhận thức

Hình 1.13: Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức

(a) Bộ thu phát của vô tuyến nhận thức;

(b) Mô hình đầu cuối RF/tương tự băng rộng.

Nói chung, mô hình đầu cuối băng rộng cho vô tuyến nhận thức có thểmiêu tả như trên Hình 1.13 (b)

Đầu cuối RF của Vô tuyến nhận thức bao gồm các thành phần sau:

 Bộ lọc RF: Bộ lọc RF lựa chọn băng tần mong muốn bằng cách lọc

thông dải tín hiệu RF nhận được

 Bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA): Khuếch đại tín hiệu mong muốn

trong khi đồng thời giảm thiểu các thành phần tạp âm

 Bộ trộn: Tại bộ trộn, tín hiệu nhận được được trộn với tần số RF

30nội, và được chuyển đổi thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần (IF).

 Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO): VCO tạo ra tín hiệu

tại một tần số nhất định với điện áp cho trước để trộn với tín hiệu tới Quátrình này chuyển đổi tín hiệu tới thành tần số băng gốc hoặc tần số trung tần

 Vòng khóa pha (PLL): PLL đảm bảo rằng tín hiệu được khóa ở

một tần số nhất định và có thể được sử dụng để tạo ra các tần số chính xác

 Bộ lọc lựa chọn kênh: Bộ lọc lựa chọn kênh được sử dụng để lựa

chọn kênh mong muốn và loại bỏ các kênh lân cận Có hai loại bộ lọc lựa chọn

kênh “Máy thu chuyển đổi trực tiếp” sử dụng bộ lọc thông thấp để lựa chọn kênh, còn “máy thu superheterodyne” lại sử dụng bộ lọc thông dải.

 Điều khiển độ lợi tự động (AGC): AGC duy trì độ lợi hoặc mức

công suất đầu ra của bộ khuếch đại không đổi qua một dải rộng các mức tínhiệu đầu vào

Trong kiến trúc này, tín hiệu băng rộng được nhận thông qua đầu cuối RF,được lấy mẫu bởi bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) tốc độ cao, và việc đođạc được thực hiện để phát hiện ra tín hiệu của người dùng chính Tuy nhiên, ởđây còn tồn tại nhiều hạn chế trong việc phát triển đầu cuối của Vô tuyến nhậnthức

Anten RF băng rộng nhận các tín hiệu từ các máy phát khác nhau hoạtđộng tại các mức công suất, các băng thông và các vị trí khác nhau Kết quả

là, đầu cuối RF phải có khả năng phát hiện tín hiệu yếu trong một dải tần sốđộng lớn Tuy nhiên, khả năng này đòi hỏi phải có bộ chuyển đổi ADC tốc độvài GHz với độ phân giải cao, mà điều này thì rất khó thực hiện

Trước khi thực hiện chuyển đổi, bộ chuyển đổi ADC tốc độ vài GHzcần phải giảm bớt dải động của tín hiệu Điều này có thể đạt được bằng cáchlọc các tín hiệu mạnh Vì các tín hiệu mạnh có thể nằm ở bất cứ đâu trong dảiphổ rộng lớn, nên cần phải có các bộ lọc Một cách khác nữa là sử dụng nhiềuanten sao cho việc lọc tín hiệu được thực hiện trong miền không gian hơn làtrong miền tần số Nhiều anten có thể nhận tín hiệu một cách chọn lọc bằng

cách sử dụng các công nghệ điều khiển búp sóng.

Thách thức chủ yếu trong kiến trúc vật lí của Vô tuyến nhận thức là pháthiện chính xác các tín hiệu yếu của những người dùng chính qua một dải phổtần rộng Do vậy, việc thực hiện đầu cuối RF băng rộng và bộ chuyển đổiADC là vấn đề hàng đầu trong các mạng vô tuyến nhận thức

a) Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức

Trong mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức người dùng chính không cầnquan tâm về các thiết bị mạng, và không cần phải sửa đổi hệ thống mạng hiện

có, đây được cho là một điều kiện tiên quyết cơ bản một hệ thống vô tuyến nhậnthức Điều quan trọng là những người dùng chính kế thừa các thiết bị của mạngsẵn có vẫn có thể hoạt động theo cách thông thường ngay cả khi áp dụng cho hệthống mạng vô tuyến nhận thức Một giải pháp để cung cấp tốc độ dữ liệu caohơn ở khoảng cách ngắn là UWB nhưng quyền hạn truyền tải đòi hỏi phải caohơn và UWB trải tín hiệu trên một dải tần số rộng Vì vậy, trong hệ thống vôtuyến nhận thức những người dùng phụ sẽ tạm dừng hoạt động khi một ngườidùng chính truyền dữ liệu vì vậy công nghệ UWB (siêu băng rộng) không được

sử dụng trong mạng Vô tuyến nhận thức

Các nghiên cứu về mô hình hệ thống của vô tuyến nhận thức được trìnhbày trong hình 1.14 Mô hình hệ thống Vô tuyến nhận thức bao gồm người sửdụng chính, người sử dụng phụ và trạm trung gian được chọn là nút đóng vai tròphối hợp phổ trong mạng Các kích thước của hệ thống, những thông số và vị trícủa người sử dụng là chỉ minh họa Khi mạng lưới bắt đầu hoạt động, tín hiệuđầu tiên được vào nút và nó vẫn tiếp tục hoạt động cho đến khi mạng ngắt kếtnối Một ví dụ cho các hệ thống vô tuyến nhận thức được giới thiệu trong hình1.15, nơi vị trí của người dùng chính và người dùng phụ được chọn ngẫu nhiêntrong khu vực phân phối sử dụng mạng thống nhất Màu xám trong hình mô tảcác khu vực nơi SU và PU có sự ảnh hưởng lẫn nhau Đây cũng là khu vực mà

nó có thể cho SU phát hiện sự hiện diện của PU thông qua cảm biến

Các nút hoạt động bằng cách gửi một tín hiệu đến một kênh điều khiểnchung để thông báo cho các nút khác có khả năng tham gia mạng Vai trò củanút khác với điểm truy cập thông thường bởi vì nó có khả năng nhận thức đượcthông tin hiện tại và truyền thông tin liên lạc giữa các nút là giống như việc thu