Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh vsat tại việt nam

Các kỹ thuật thông tin vệ tinh thông dụng nhất như xử lý băng gốc, điều chế, khuếch đại công suất, đa truy nhập, bù tổn hao, chống lỗi … Hệ thống VSAT Verry Small Aperture Terminal là mộ

PHẠM TRẦN QUỲNH

THỐNG THONG TIN VỆ TINH VSAT TẠI VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

HÀ NỘI - 2008

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU 8

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 12

VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 12

1.1 Giới thiệu chung 12

1.2 Phần không gian 15

1.2.1 Cấu trúc 15

1.2.2 Vai trò của trạm điều khiển 17

1.2.3 Phân hệ thông tin của vệ tinh 18

1.3 Phần mặt đất 20

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

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

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

1.6.1 Giới thiệu 24

1.6.2 Trạm mặt đất và các yếu tố liên quan 25

1.6.3 Các yếu tố liên quan đường xuống và trạm thu mặt đất 28

1.6.4 Tham số của bộ phát đáp hệ thống vệ tinh ảnh hưởng đến tuyến truyền 35

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TRUYỀN IP QUA VỆ TINH ĐỊA TĨNH 38

2.1 Giới thiệu 38

2.1.1 Phát quảng bá 39

2.1.2 Chất lượng dịch vụ 39

2.1.3 Thiết lập nhanh chóng 39

2.2 Kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh 39

2.3 Yếu tố đường truyền vệ tinh ảnh hưởng đến TCP/IP 41

2.3.1 Lỗi bít đường truyền 41

2.3.2 Tác động của trễ đường truyền 42

2.4 Các giải pháp cải tiến đảm bảo truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh 46

2.4.1 Truyền không đối xứng và theo một hướng 47

2.4.2 Giải pháp tăng kích thước cửa sổ TCP 50

2.4.3 Kết nối TCP 52

2.4.4 Giao thức ứng dụng 55

2.5 Kết luận 56

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG IPSTAR 58

3.1 Vệ tinh IPSTAR 58

3.2 Trạm cổng 60

3.2.1 Chức năng trạm cổng 60

3.2.2 Hoạt động của trạm gatewway 67

3.3 Giao tiếp không gian 67

3.3.1 Đường lên (từ trạm chủ đến trạm thuê bao) 67

3.3.2 Đường về (từ trạm thuê bao đến trạm chủ) 70

3.4 Thiết bị phía thuê bao (UT) 73

CHƯƠNG 4: CÁC ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG RỘNG TẠI VIỆT NAM 75

4 1 Các Dịch vụ trong hệ thống VSAT-IP 75

4.1.1 Dịch vụ thoại 75

4.1.2 Dịch vụ truy cập Internet băng rộng 76

4.1.3 Dịch vụ IPSTAR GRE VPN 79

4.1.4 Dịch vụ IPSTAR Leased Circuit 80

4.1.5 Dịch vụ trung kế di động: (GSM Trunking) 80

4.1.6 Dịch vụ truyền hình hội nghị (Video Conference) 81

4.1.7 Dịch vụ đào tạo từ xa (I-Learn) 82

4.1.8 Dịch vụ IP2TV 83

4.2 Ưu nhược điểm của hệ thống VSAT IPSTAR 85

4.2.1 Ưu điểm của hệ thống thông tin vệ tinh băng rộng IPSTAR 85

4.2.2 Nhược điểm của hệ thống 86

4.3 Vệ tinh VINASAT và các ứng dụng 86

4.3.1 Giới thiệu về vệ tinh VINASAT 86

4.3.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của vệ tinh VINASAT-1 và các ứng dụng 87

KẾT LUẬN 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC 91

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

nhận đã nhận được gói tin có số thứ tự được

chỉ rõ trong nội dung gói ACK này

Thông báo rõ lỗi tích luỹ khi truyền tải

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo yêu cầu

Noise Density Ratio

Tỷ số năng lượng bit/Mật độ tạp âm

EIRP Equivalent Isotropic

Radiated Power

Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương

Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Module

Mạch giao diện fax

thông báo kết thúc kết nối

Processor

Bộ xử lý tuyến từ trạm chủ đến trạm con

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền File

Orbit

Quỹ đạo địa tĩnh Vệ tinh ở quỹ đạo này có chu kì quay xung quanh bằng chu kì tự quay của trái đất

phía thu có thể thông báo được chính xác

tiêu đề của gói tin bị lỗi

Amplifier

Bộ khuyếch đại công suất cao

Protocol

Giao thức truyền dẫn siêu văn bản

Channel

Kênh kiểm soát vào

Module

Mạch chuyển đổi giao diện

MessageProtocol

Giao thức bản tin điều khiển Internet

IGMP Internet Group

Management Protocol

Giao thức quản lí nhóm Internet

MTU Maximum Transfer Unit Đơn vị truyền dẫn có kích thước lớn nhất

System

Hệ thống điều hành mạng

Channel

Kênh kiểm soát ra

Division Multiplexing

Management

RTO Retransmission Timeout Khoảng thời gian chờ truyền lại, tính dựa

trên RTT và một số biến khác

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

một gói tin đã tới đích

Carrier

Đơn kênh trên sóng mang

TransportProtocol

Giao thức truyền tải điều khiển luồng

Bộ điều khiển theo chương trình

điểm khởi tạo kết nối để đồng bộ giữa phía

phát và phía thu

TCP Transport Protocol Giao thức truyền tải Giao thức này truyền

tải các gói tin tới đích một cách tin cậy

TDM Time Division Multiplex Gh ép kênh phân chia thời gian

Access

Đa truy nhập phân chia theo thời gian

TES Telephony Earth Station Trạm điện thoại mặt đất

không tin cậy

Terminal

Trạm mặt đất dung lượng nhỏ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 3.9 Các kiểu kênh STAR Link 71

Hình 4.4 Cấu hình dịch vụ thuê kênh riêng IP và mạng riêng VPN 80

Hình 4.6 Cấu hình cung cấp dịch vụ truyền hình hội nghị 82

MỞ ĐẦU

1 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài

Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ viễn thông, việc ra đời và lớn mạnh của thông tin vệ tinh là tất yếu để thay thế cho các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp mặt đất Hệ thống thông tin vệ tinh có nhiều ưu điểm nổi bật so với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp mặt đất, thể hiện ở giá thành, khả năng quảng

bá và độ linh hoạt cao

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

Hệ thống VSAT (Verry Small Aperture Terminal) là một hệ thống thông tin

vệ tinh với các trạm đầu cuối có khẩu độ nhỏ, cung cấp các đường truyền số liệu và điện thoại số qua vệ tinh chỉ cần sử dụng các anten có đường kính tương đối nhỏ

Sự xuất hiện của nó không ảnh hưởng tới các mạng hiện có mà còn hỗ trợ để tăng tính linh hoạt cho mạng Nó cung cấp các tính năng ưu việt cho các khách hàng sử dụng

Ở Việt Nam, công nghệ thông tin vệ tinh đã được ứng dụng từ năm 1980 (Đài vệ tinh Hoa Sen 1), đến nay sau hơn 20 năm đổi mới phát triển, ngành Viễn thông Việt Nam đã thiết lập mạng thông tin vệ tinh rộng lớn trên toàn quốc Xu thế

đa dịch vụ trong viễn thông đang phát triển với tốc độ cao, nhất là phát triển các ứng dụng trên nền IP ngày càng phát triển phù hợp xu thế hội tụ công nghệ thông tin và truyền thông

Ngày nay, dịch vụ đa dạng trên cơ sở hội tụ công nghệ thông tin và truyền thông là xu thế tất yếu của thế giới và ở Việt Nam đang được ứng dụng rộng rãi, việc dùng một hệ thống VSAT mới đa dịch vụ cho các vùng sâu, vùng xa và phục

vụ an ninh quốc phòng cũng như các nhu cầu sử dụng đặc biệt là rất cần thiết Do

đó việc nghiên cứu những vấn đề lý thuyết, thực nghiệm về mạng VSAT và các ứng dụng trong điều kiện Việt Nam hiện nay có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển của ngành Bưu chính Viễn thông nói riêng và phát triển kinh tế xã hội Việt Nam nói chung Trước yêu cầu đó, đề tài “ Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam” được lựa chọn để nghiên cứu vừa có ý nghĩa

về mặt lý luận, vừa có ý nghĩa về mặt thực tiễn cao

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

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

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

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

Chương 2: Phương thức truyền IP qua vệ tinh địa tĩnh

Phân tích các các phương thức kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh và yếu tố đường truyền ảnh hưởng đến TCP/IP

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

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

vụ, các vấn đề liên quan đến vệ tinh IP-STAR, trạm cổng gateway và trạm đầu cuối

Chương 4: Các ứng dụng của hệ thống thông tin vệ tinh băng rộng tại Việt Nam

Chương này dành để phân tích các dịch vụ của hệ thống thông tin băng thông rộng được triển khai tại Việt Nam và các ưu nhược điểm

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

VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

Thông tin vô tuyến (Radio Communication) bằng vệ tinh ra đời nhằm mục

đích cải thiện các nhược điểm của mạng vô tuyến mặt đất, đạt được dung lượng cao

hơn, băng tần rộng hơn, đem lại cho khách hàng nhiều dịch vụ mới và thuận tiện với

chi phí thấp

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

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

- Khả năng quảng bá rộng lớn

- Có dải thông rộng

- Nhanh chóng và dễ dàng cấu hình lại khi cần thiết (ví dụ khi bổ sung trạm mới hoặc thay đổi thông số trạm cũ )

Ta đã biết đối với mạng thông tin vô tuyến mặt đất hai trạm muốn thông tin

cho nhau thì các antenna của chúng phải nhìn thấy nhau Đó gọi là thông tin vô

tuyến trong tầm nhìn thẳng (Line Of Sight - LOS) Tuy nhiên do trái đất có dạng

hình cầu cho nên khoảng cách giữa hai trạm sẽ bị hạn chế để đảm bảo cho các

antenna còn trông thấy nhau Đối với khả năng quảng bá cũng vậy, các khu vực trên

mặt đất không còn nhìn thấy anttena của đài phát sẽ không thể thu được tín hiệu

nữa Trong trường hợp bắt buộc phải truyền tin đi xa, người ta có thể dùng phương

pháp nâng cao cột antenna, truyền sóng phản xạ tầng điện ly hoặc xây dựng các

trạm chuyển tiếp Trên thực tế người ta thấy rằng cả 3 phương pháp trên đều có

nhiều nhược điểm Việc nâng độ cao của cột antenna gặp rất nhiều khó khăn về

kinh phí và kỹ thuật mà hiệu quả thì không cao (ví dụ nếu cột antenna có cao được

đến 1km thì nó cũng không thể quảng bá quá 200 km trên mặt đất) Nếu truyền

sóng phản xạ tầng điện ly thì cần có công suất phát rất lớn và bị ảnh hưởng rất mạnh

của môi trường truyền dẫn nên chất lượng tuyến không cao Việc xây dựng các trạm

chuyển tiếp giữa hai trạm đầu cuối sẽ cải thiện được chất lượng tuyến, nâng cao độ tin cậy nhưng chi phí lắp đặt các trạm trung chuyển lại quá cao và rất không thích hợp khi có nhu cầu mở thêm tuyến mới Tóm lại, để có thể truyền tin đi xa người ta mong muốn xây dựng được các antenna rất cao nhưng lại phải ổn định và vững chắc Sự ra đời của vệ tinh chính là để thoả mãn nhu cầu đó Với vệ tinh, nguời ta

có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống mạng nào khác Thông qua vệ tinh INTELSAT, lần đầu tiên hai trạm đối diện trên hai bờ Đại Tây Dương đã thông tin được cho nhau Do có khả năng phủ sóng rộng lớn cho nên vệ tinh rất thích hợp cho các phương thức truyền tin điểm đến đa điểm, đa điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm trung tâm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu) [1]

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

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

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

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

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

- Tuổi thọ thấp hơn các hệ thống mặt đất, khó bảo dưỡng, sửa chữa và nâng cấp

Các vệ tinh bay trong không gian cách xa mặt đất, năng lượng chủ yếu dùng cho các động cơ phản lực điều khiển là các loại nhiên liệu lỏng hoặc rắn được vệ tinh mang theo trên boong Lượng nhiên liệu dự trữ này không thể quá lớn vì khả năng của các tên lửa đẩy có giới hạn, đồng thời nó sẽ làm cho kích thước vệ tinh

tăng lên đáng kể do phải tăng thể tích của thùng chứa Nếu như vệ tinh đã dùng hết lượng nhiên liệu này thì chúng ta không thể điều khiển vệ tinh được nữa tức là không còn duy trì được độ ổn định của tuyến Khi đó vệ tinh coi như đã hỏng và như thế nói chung tuổi thọ của vệ tinh thường thấp hơn các thiết bị thông tin mặt đất khác Để làm cho vệ tinh hoạt động trở lại, người ta cần thu hồi lại vệ tinh để sửa chữa và tiếp thêm nhiên liệu Sau đó người ta phải phóng lại nó lên quỹ đạo Việc khôi phục các vệ tinh đã hết tuổi thọ này hết sức tốn kém và phức tạp nên trong thực tế, nói chung người ta thường dùng phương pháp thay thế bằng một vệ tinh hoàn toàn mới và loại bỏ vệ tinh cũ đi

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ph ần k h ô n g g ia n

Cá c má y t h u Cá c má y ph á t

Tr ạ m điều

k h iển (t t &c )

Ph ần mặt đất

Tuyến xuống Tuyến lên

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

1.2.1 Cấu trỳc

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

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

và điều khiển (TT&C - Tracking Telemetry and Command) sẽ được thực hiện nhằm

mục đích giữ cho vệ tinh cố định, đồng thời kiểm tra được các thông số hoạt động của nó như nhiệt độ antenna, nguồn điện acquy, nhiên liệu,

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

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

Vệ tinh bao gồm một phần tải hữu ích (Payload) và một phần khung (Platform) Phần Payload gồm antenna và các thiết bị điện tử phục vụ cho truyền dẫn thông tin Phần Platform chứa các thiết bị bảo đảm cho hoạt động của phần Payload như là giá đỡ, cung cấp nguồn điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng

và quỹ đạo, các thiết bị đẩy phản lực, thùng chứa nhiên liệu và các thiết bị TT&C

Ta thấy rằng trong quá trình hoạt động vệ tinh sẽ nhẹ dần đi do phải tiêu tốn nhiên liệu cho việc điều khiển Để cho vệ tinh không bị mất trọng tâm thì quá trình giảm trọng lượng phải luôn phân bố đều trên toàn bộ thể tích của nó Do đó bao giờ người

ta cũng thiết kế sao cho các thùng chứa nhiên liệu đối xứng với nhau qua trọng tâm của vệ tinh Thực tế những thùng chứa nhiên liệu nằm trong phần Platform chiếm phần lớn khối lượng và thể tích của các vệ tinh [2]

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

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

1.2.2 Vai trũ của trạm điều khiển

Trờn lý thuyết, cỏc vệ tinh chuyển động với cỏc quỹ đạo cú hỡnh dạng là đường trũn hoặc đường Ellipse nhưng trong thực tế cỏc quỹ đạo này khụng được hoàn toàn như lý thuyết do vệ tinh cũn phải chịu tỏc động của rất nhiều yếu tố khỏch quan như sự thay đổi ngẫu nhiờn lực hỳt của trỏi đất, lực hấp dẫn của cỏc hành tinh lõn cận, Vỡ vậy ngay đối với vệ tinh địa tĩnh thỡ vẫn luụn cú sự dao động xung quanh vị trớ cõn bằng của nú Thờm nữa quỹ đạo của chỳng cũn bị nghiờng (Inclined Orbit) Điều này dẫn đến trong hệ thống phải cú cỏc trạm điều khiển và trong cỏc trạm mặt đất phải cú hệ thống bỏm

75km

Trái Đất 0.1° 85km

75km

Quỹ đạo danh định của vệ tinh địa tĩnh

Đường Xích Đạo Độ trượt vệ tinh: Bắc Nam (NS) Đông Tây (EW) Độ lệch tâm : 0.001 ±0.05° Hỡnh 1.2 : Cửa sổ giữ trạm đối với vệ tinh địa tĩnh

Sự dao động của vệ tinh địa tĩnh xung quanh vị trớ tương đối rừ ràng sẽ làm cho thời gian truyền dẫn giữa trạm và vệ tinh luụn bị thay đổi Đồng thời nú cũn gõy ra hiệu ứng Doppler đối với súng mang Tất cả những ảnh hưởng này đều gõy nờn những khú khăn cho quỏ trỡnh truyền dẫn và đồng bộ của hệ thống, nhất là trong cỏc hệ thống truyền dẫn số (Digital Transmission) Ngoài ra trạm điều khiển cũn cú chức năng giữ antenna thu phỏt của vệ tinh luụn hướng về vựng phủ súng trờn mặt đất Hoạt động của trạm điều khiển dựa trờn cơ sở cỏc thụng tin đo đạc nhận từ rất nhiều bộ cảm biến (sensor) đặt trờn vệ tinh [2]

1.2.3 Phân hệ thông tin của vệ tinh

Trên một vệ tinh thường có hai phân hệ, đó là phân hệ thông tin gồm tất cả các thiết bị phục vụ cho việc truyền dẫn tin tức và phân hệ điều khiển có nhiệm vụ

đo lường các thông số làm việc và điều chỉnh lại các thông số này khi có lệnh từ mặt đất Cấu trúc của phân hệ thông tin có thể được biểu diễn tổng quan bằng sơ đồ khối sau đây (Hình 1.3)

1.2.3.1 Bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA

Trong sơ đồ trên LNA là bộ khuếch đại tạp âm thấp (Low Noise Amplifier) được đặt ngay sau antenna thu ARx có nhiệm vụ khuếch đại biên độ điện áp tín hiệu thu với mức tạp âm ký sinh rất nhỏ Bộ LNA của vệ tinh thường là kiểu có làm lạnh bằng Nitrogen lỏng hoặc hiệu ứng nhiệt điện Peltier Bộ LNA của vệ tinh cũng giống với bộ LNA của các ES

FU FD

Transponde r

1.2.3.2 Bộ đổi tần FC (Frequency Converter )

Sau khi đã được khuếch đại về biên độ, tín hiệu thu ở tuyến lên sẽ được trộn với một tần số chuẩn FLO được tạo ra bởi bộ dao động (OSC -Ocsillator) đặt ngay trên vệ tinh Tần số sinh ra ở đằng sau bộ trộn (MIX) là tổ hợp giữa tần số tín hiệu ở tuyến lên FU và tần số ngoại sai FLO Do tần số sóng mang của tuyến lên bao giờ cũng cao hơn tuyến xuống cho nên bộ đổi tần của vệ tinh thường là bộ đổi tần

xuống (Down Convertor) Nguyên tắc của việc trộn tần là dựa vào đặc tính truyền đạt không tuyến tính của các thiết bị bán dẫn, ví dụ như một Diode, để sinh ra các tổ hợp tần số mới từ hai tần số ở đầu vào (FU và FLO) Nguyên tắc này có thể giải thích một cách đơn giản như sau [10]:

- Giả sử tín hiệu đầu vào có dạng: I (t)= Acos[(2πFUt) + φU]

và tín hiệu ngoại sai có dạng: LO(t) = Bcos[(2πFLOt) + φLO]

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

Do đó: O(t) = ABcos[(2πFUt) + φU] cos[(2πFLOt) + φLO]

O(t) = (AB/2){cos[2π(FU + FLO)t + φU + φLO] + cos[2π(FU - FLO)t + φU - φLO]}

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

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

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

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

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

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

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

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

1.2.3.4 Các bộ phát đáp (Transponder)

Băng tần rất rộng của vệ tinh được chia làm các băng nhỏ hơn (ví dụ rộng khoảng 40 MHz) Mỗi băng này được phân phối cho mỗi bộ phát đáp của nó còn gọi là kênh vệ tinh (Satellite Channel) Mỗi một kênh vệ tinh lại có thể mang rất nhiều kênh số liệu và kênh thoại phụ thuộc vào nhà khai thác và người sử dụng Trên thực tế do phải có khoảng bảo vệ giữa các bộ phát đáp cho nên dải tần thực tế

mà các bộ phát đáp sử dụng thường nhỏ hơn (36MHz) Các bộ phát đáp có vai trò như là các kênh chuyển tiếp thông tin Chúng làm việc trong những dải tần riêng nhờ các bộ lọc thông dải BPF đặt ngay tại đầu vào Sau khi xử lí bù như bù trễ, bù tần số tín hiệu trong mỗi bộ phát đáp sẽ được đưa qua bộ khuếch đại công suất cao HPA ở đầu ra để khuếch đại đủ lớn trước khi phát lại ở hướng xuống Bộ HPA của mỗi kênh vệ tinh thường là loại đèn sóng chạy TWTA với độ dự phòng 5:1 và hiện nay đã bắt đầu sử dụng loại HPA bán dẫn SSPA Dễ nhận thấy rằng trong trường hợp hệ thống dùng kỹ thuật sử dụng lại tần số (Reuse) thì sơ đồ hình 1.3 mới chỉ là một nửa phân hệ thông tin của vệ tinh dành cho một phân cực Nửa còn lại của phân cực kia có sơ đồ tương tự

1.2.3.5 Bộ ghép công suất (MUX)

Trước khi ra antenna phát ATx tín hiệu của các Transponder ở các băng tần con khác nhau phải được ghép lại với nhau Yêu cầu ghép phải đảm bảo làm sao cho sự can nhiễu giữa các kênh vệ tinh là thấp nhất và mức công suất của chúng đồng đều nhau trong tín hiệu tổng hợp Có nhiều kỹ thuật được ứng dụng cho bộ MUX mà trong đó có thể kể đến một thiết bị thông dụng là bộ CIRCULATOR

Phần mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất (ES - Earth Station) của hệ thống Thông thường chúng được nối với thiết bị đầu cuối của người sử dụng thông qua một mạng mặt đất có dây hoặc không dây Trong một số trường hợp chúng nối trực tiếp với thiết bị của người sử dụng (VSAT) Các ES nối với người sử dụng qua mạng thường là các trạm lớn có dung lượng cao phục vụ nhiều khách hàng một lúc Ngược lại, các trạm VSAT lại là các trạm nhỏ dung lượng thấp và chỉ phục vụ một

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

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

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

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

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

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

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

E°

TÝn hiÖu B¨ng gèc

Hình 1.4: Cấu trúc cơ bản của một trạm mặt đất

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

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

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

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

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

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

Nhiều khi ở những tuyến gây xuyên cực lớn người ta phải sử dụng thêm sự phân biệt về chiều quay vector cường độ điện trường Một sóng mang quay theo tay phải còn sóng mang vuông góc với nó quay theo tay trái Đặc biệt khi sử dụng phân cực tròn thì chỉ có thể phân biệt về chiều

quay của vector phân cực Khi đó sóng

mang có vector E quay theo tay phải gọi là

RHCP (Right Hand Circular Polarisation) và

sóng mang có vector E quay theo tay trái gọi

là LHCP (Left Hand Circular Polarisation)

Các phân cực tròn LHCP và RHCP hiện

đang được dùng rất phổ biến trong thông tin

vệ tinh, đặc biệt trong các hệ thống dùng lại

tần số

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

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

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

- Khu vực 2: bao gồm các nước Châu Mỹ

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

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

- Khoảng 6GHz cho tuyến lên và 4GHz cho tuyến xuống được gọi là băng 6/4 GHz hay băng C Băng tần này được các hệ thống cũ sử dụng, ví dụ như hệ

thống INTELSAT, các hệ thống nội địa của Mỹ, và hiện nay đã có xu hướng bão hòa

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

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

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

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

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

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

1.6.1 Giới thiệu

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

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

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

- Hệ thống vệ tinh

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

1.6.2 Trạm mặt đất và các yếu tố liên quan

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

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

GdBi = 10*logη + 20*logƒ + 20*log D + 20.4dB (1.1)

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

G1mdBi = 20*log ƒ + 21.4dB (1.2) Trong đó: η là hiệu suất anten

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

Nguồn công xuất cao tần bức xạ trên một đơn vị góc cố định của anten vô hướng được tính bằng: PT / 4π (W)

Đối với anten định hướng, giá trị tăng ích của anten phát là GT thì công suất phát xạ trên một đơn vị góc được tính:

PT GT/ 4π (W)

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

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

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

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

Trong đó: PT là công suất phát tính bằng W

GTlà hệ số tăng ích phát

EIRP phải được điều chỉnh thật chính xác bởi vì EIRP cao sẽ gây nhiễu sóng mang phụ cận, còn nếu EIRP thấp sẽ cho chất lượng tín hiệu kém đi

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

Pr= (PT*GT/4π)(A/R2)= φA (W) Đại lượng φ = (PT*GT/4πR2) được gọi là “mật độ phổ công suất” được tính bằng đơn vị W/m2

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

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

Hình 1.6: Anten vô hướng

Công xuất bức xạ trên một đơn

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

P

Kho¶ng c¸ch R

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

W = ( GT*PT )/ 4 πR2 (W/m2) (1.5)

Trong đó: GT*PTlà EIRP

W Cường độ bức xạ tại khoảng cách R

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

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

Công suất đầu thu sẽ là:

L0 = 20logR + 20log ƒ + 92.5 dB (1.10) Trong đó: ƒ là tần số hoạt động tính băng Ghz

WdBW/m2 = EIRP - L0 + G1m2 (1.12)

1.6.2.4 Khoảng cách từ vệ tinh tới trạm mặt đất

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

R = [r2 + S2 - 2rS(Cos C )]1/2 (1.13)

Trong đó: r: Bán kính quỹ đạo trái đất (6,378.14km)

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

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

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

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

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

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

1.6.3.2 Nhiệt tạp âm

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

Pn = KTB (W) (1.14) Trong đó: Pn: Công xuất tap âm

K: Hằng số Bolzman(1.374*10-23J/K)

T : Nhiệt độ nhiễu tuyệt đối B: Độ rộng băng (Hz) Một anten có trở kháng Za sẽ là nguồn nhiễu cho máy thu Nhưng bản thân trạm thu là một bộ phận hoạt động của hệ thống sẽ trực tiếp tạo nhiễu tới nó Do đó tổng nhiễu sẽ có tại đầu ra nơi thu là:

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

∆N: Độ nhiễu đầu ra nơi thu ∆N = KTeB

Te: Là nhiệt tạp tương đương nơi thu Te = (F-1)T0 (1.16) F: số nhiễu trong 1 đơn vị

T0: Nhiệt độ tuyệt đối (290 Kelvin)

1.6.3.3 Nhiệt hệ thống

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

Tsystem = Tant /L + (1 - 1/L)*T0 + Te (1.17) Trong đó: L: Hệ số suy hao feed

Tant: Nhiệt tạp âm anten phát Phương trình này cho thấy feed và ống dẫn sóng có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống nhiệt tạp âm

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

G/T dB/K = GdBi - 10logTsystem (1.18)

Khi hệ số tăng ích anten là tần số độc lập thì G/T phải đơn giản hoá tần số đã biết (thường là 4 hoặc 11 Ghz) bằng cách áp dụng phương trình (1.18) 20*logf/f0 (f0 là 4 hoặc 11 Ghz) ở đây f là tần số đo bằng Ghz

1.6.3.5 Tỷ số sóng mang trên nhiễu

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

Với PRvà Pn được định nghĩa ở phương trình (1.6) và (1.14) cụ thể:

C/N = (EIRP*GR)/(KTsystemB).L0 (1.20) Tính theo đơn vị dB:

C/N dB = EIRPdb – L0 dB + G/T dB/K – 10logK – 10logB (1.21) (-10logK = +228.6dBW/K)

Trong đó: Độ rộng băng tần sóng mang (đối với sóng mang số tỉ lệ truyền dẫn B=0.6)

Độ rộng băng tần đầu thu (B) thường phụ thuộc vào sóng mang điều chế Thông thường tách thông số năng lượng đường truyền bằng cách giản hoá sự phụ thuộc băng tần Mối quan hệ mới sẽ là tỉ số sóng mang trên nhiễu (C/N0)

1.6.3.6 Phân bổ nhiễu khác (Other noise contribution)

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

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

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

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

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

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

C/TSATIM = EIRPSAT - (giá trị SATIM) + 10log4Khz - 228.6 dBW/K (1.25)

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

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

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

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

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

C/TCo = C/IdB + 10log (BW chiếm trong sóng mang) - 228.6 db (1.26)

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

- Nhiễu xuyên đều chế trong HPA trạm mặt đất

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

Ở đây tiêu chuẩn IESS phải đáp ứng:

EIRPIM 4Khz = EIRPIM - 10log(IM băng tần 4Khz) (1.27)

C/TIM E/S = EIRP(sóng mang đã kiểm tra)- EIRPIM4Khz + 10log4Khz -228.6dB (1.28) Trong đó: EIRPIM là EIRP nhiễu xuyên điều chế đã điều chỉnh ở đầu ra HPA

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

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

Mức IM cao = 38.9dBW ở băng tần 2MHz

Sử dụng phương trình (1.27) ta có:

EIRPIM 4Khz= 38.9 dBW - 10log(2M/4Khz) = 38.9 dBW - 27.0 dB

Sử dụng phương trình (1.28) ta có:

C/TIM E/S = 63.9dBW - 11.9dBW/4Khz + 36dB - 228.6dB C/TIM E/S = - 140.6 dBW/K

- Can nhiễu với đường thông tin viba trên mặt đất

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

hệ thống thông tin vệ tinh

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

+ Trường hợp 2: Hai đường thông tin mặt đất có tần số bằng tần số đường xuống của hệ thống thông tin vệ tinh, bởi vậy ở đầu vào máy thu trạm mặt đất cũng bị trộn với tín hiệu của đường thông tin viba mặt đất

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

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

- Sự can nhiễu với vệ tinh bên cạnh:

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

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

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

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

- Tạp âm

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

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

so với tín hiệu hữu ích, nhưng trên tuyến thông tin vệ tinh, tín hiệu hữu ích thu được thường rất nhỏ, trong khi đó tạp âm thì lại rất lớn do khoảng cách truyền của thông tin rất dài (khoảng cách 37000km) Tạp âm còn được góp nhặt bởi anten từ môi

§­êng tÝn hiÖu mong muèn

§­êng tÝn hiÖu can nhiÔu

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

trường truyền sóng, suy hao do mưa Tín hiệu thu về xem như bị chìm trong tạp âm

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Khi phân tích đường truyền cho vệ tinh ta phải tính đường truyền cho tuyến lên, tuyến xu

ống và tại hệ thống vệ tinh Tính toán đường truyền tại hệ thống vệ tinh chủ yếu là ở bộ phát đáp, thu nhận đường truyền tuyến lên rồi phát đáp xuống trạm thu bằng phương tiện đường xuống

Bộ phát đáp vệ tinh thực hiện chức năng phát lại tín hiệu điện từ Chúng nhận tín hiệu từ trạm phát sau đó khuyếch đại, đổi tần rồi truyền lại trạm thu mặt đất Nguồn từ vệ tinh được chia ra nhiều trạm mặt đất với những chuẩn khác nhau (A, B, C, D, E và F) và theo đó là những vệ tinh khác nhau Với độ rộng băng tần 51.2 Khz (cho sóng mang 64kbit/s với 3/4 FEC) cho một bộ phát đáp

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

A Mật độ bão hoà (dBW/m2)

B Tỷ số G/T nhận (dB/ K)

C EIRP bão hoà ( dBW)

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

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

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

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

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

Độ lùi đầu ra bão hoà được tính theo:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

B: Độ rộng băng tần chiếm trong sóng mang

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

Hệ thống VSAT (Verry Small Apecture Terminal) là một hệ thống thông tin

vệ tinh với các trạm đầu cuối có khẩu độ nhỏ, cung cấp các đường truyền số liệu và điện thoại số qua vệ tinh chỉ cần sử dụng các ăng ten có đường kính tương đối nhỏ

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TRUYỀN IP QUA VỆ TINH ĐỊA

chờ hoặc theo một cách nào đó ví dụ kiểu dịch vụ ToS (Type of Service) Khi khoảng cách giữa nguồn dữ liệu và đích đến tăng lên, nghĩa là gói dữ liệu IP phải

truyền qua nhiều điểm định tuyến, cuộc nối ảo và khả năng nghẽn có cơ hội xảy ra [7]

Để loại bỏ hiện tượng đó người ta dùng đường truyền vệ tinh địa tĩnh với khoảng cách 36000 km để cung cấp đường truy cập trực tiếp, liên tục từ vệ tinh tới một vùng rộng lớn trên bề mặt trái đất tuỳ theo loại chùm tia phủ sóng Chùm tia phủ sóng của vệ tinh truyền đưa dữ liệu trên nền IP chỉ qua một bước nhảy (tối thiểu hoá điểm định tuyến) tới một hay nhiều vị trí trong cùng vùng phủ của chùm tia vệ tinh [10], [24]

Khi sử dụng mạng mặt đất không cho phép cung cấp cuộc nối IP từ một điểm đến nhiều điểm Muốn chuyển lưu lượng từ một điểm đến nhiều điểm trong các mạng mặt đất yêu cầu phải truyền đưa cùng một lúc một loại dữ liệu đến nhiều máy chủ dọc theo cây truyền dẫn và tái tạo lại khối dữ liệu IP Tóm lại, các bộ định tuyến phải liên tục kiểm tra từng máy chủ thành phần trên mạng để không tái tạo lại các khối dữ liệu IP không cần thiết và chuyển các khối dữ liệu IP cần thiết đến các máy chủ [7]

2 1.1 Phát quảng bá

So với mạng mặt đất, dữ liệu truyền trên nền IP qua vệ tinh địa tĩnh có thể phát quảng bá từ một điểm đến nhiều điểm (nằm trong một vùng phủ sóng của chùm tia vệ tinh) chỉ với một bước nhảy, đó là ưu điểm cơ bản của hệ thống thông tin vệ tinh so với mạng mặt đất Bằng việc truyền đưa dữ liệu trên nền IP từ một điểm tới nhiều điểm qua vệ tinh, không còn phải sử dụng thuật toán định tuyến phức tạp và việc điều khiển cấu trúc cây truyền dẫn trở thành rất đơn giản [10], [24]

2 1.2 Chất lượng dịch vụ

Các ứng dụng như hội nghị truyền hình, luồng hình ảnh và âm thanh, hoặc điện thoại trên nền IP (VoIP) vấp phải khó khăn về điều hành khi truyền qua mạng Internet trên mặt đất Các cuộc nối IP trên cự ly dài làm cho các khối dữ liệu IP phải

đi qua nhiều tuyến để đến địa chỉ nhận với nhiều Jitter, giảm chất lượng hoặc thậm chí mất hẳn Các tuyến phục vụ nằm giữa nguồn dữ liệu và đích có thể giải quyết vấn đề thời gian của cuộc nối nhưng lại giảm băng thông chia sẻ giữa các ứng dụng Một sự phát triển kỹ thuật ứng dụng thực tế hơn đó là mạng điều hành đích đến đích truyền đưa IP bằng các đường truyền vệ tinh địa tĩnh [10], [24]

2 1.3 Thiết lập nhanh chóng

Các nhà cung cấp dịch vụ có thể nhanh chóng tổ chức các đường truyền vệ tinh so với việc dàn xếp để thuê kênh riêng đến một địa chỉ ấn định Việc lắp đặt thiết bị đầu cuối và đưa vào khai thác chỉ trong vòng vài giờ đồng hồ, một trạm mặt đất thông tin vệ tinh cỡ trung bình chỉ cần vài ngày là lắp đặt xong Tất cả những điều đó làm cho các vệ tinh trở thành giải pháp lý tưởng để thiết lập liên lạc đến những nơi xa xôi hay trong những lúc thiên tai hay thảm hoạ xảy ra [10], [24]

Mô hình đường truyền TCP/IP qua vệ tinh được mô tả trên hình 2.1 Kết nối

được tính từ các đoạn truyền dẫn trên mặt đất T từ Người gửi TCP qua