MẠNG INTERNET KHÔNG DÂY SỬ DỤNG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TIN

Vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộnglớn trến trái đất, nên một bộ phát đáp trên vệ tính có thể cho phép nối mạng nhiềutrạm mặt đất từ các vùng địa lý cách xa nhau trên trái đ

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG 2

 BÁO CÁO MÔN HỌC

CÁC MẠNG THÔNG TIN

VÔ TUYẾN

Đề tài: MẠNG INTERNET KHÔNG DÂY SỬ DỤNG HỆ

THỐNG THÔNG TIN VỆ TIN

Sinh viên thực hiện: Đỗ Tuấn Hải MSSV: N17DCVT019

Nguyễn Trọng Hiếu Trần Ngọc Hiếu MSSV: N17DCVT022 MSSV: N17DCVT023

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Minh Quang

TP.HCM – 11/2020

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VIỄN THÔNG 2

 BÁO CÁO MÔN HỌC

CÁC MẠNG THÔNG TIN

VÔ TUYẾN

Đề tài: MẠNG INTERNET KHÔNG DÂY SỬ DỤNG HỆ

THỐNG THÔNG TIN VỆ TIN

NỘI DUNG:

- CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH THÔNG TIN

- CHƯƠNG II: QUỸ ĐẠO VỆ TINH

Sinh viên thực hiện: Đỗ Tuấn Hải MSSV: N17DCVT019

Nguyễn Trọng Hiếu Trần Ngọc Hiếu MSSV: N17DCVT022 MSSV: N17DCVT023

Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Minh Quang

- CHƯƠNG III: TÌM HIỂU VỀ INTERNER VỆ TINH VÀ DỰ ÁN STARLINKINTERNET VỆ TINH TOÀN CẦU CỦA CÔNG TY SPACEX

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, cho phép nhóm em gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Ths Phạm Minh Quang đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn chúng em giải quyết các

vướng mắc, khó khăn để có thể hoàn thành tốt đề tài môn học này

Cảm ơn thầy tạo điều kiện cho nhóm em học tập và nghiên để có thể chia sẻnhững kiến thức mà chúng em tìm hiểu và học hỏi được trong thời gian làm đề tàiđến thầy và các bạn trong lớp Giúp các bạn có thể nắm bắt thêm những khoa học

kỹ thuật hiện đại được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống

Nhóm cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy Cô trong khoa Viễn Thông 2nói riêng và các Thầy Cô đang giảng dạy tại trường Học Viện Công Nghệ BưuChính Viễn Thông cơ sở TP Hồ Chí Minh nói chung đã tận tình giảng dạy, giúp

đỡ và truyền đạt những kiến thức quý báu cho nhóm em trong suốt quá trìnhnghiên cứu và học tập tại trường

Nhóm sinh viên xin chân thành cảm ơn!

LỜI MỞ ĐẦU

Thông tin vệ tinh đã đã trở thành một phương tiên thông tin rất phổ biến và

đa dạng Nó thể hiện từ các chảo anten truyền hình gia đình cho đến các hệ thôngthống tin toàn cầu truyền các khối lượng số liệu và lưu lượng thoại lớn cùng vớicác chương trình truyền hình Vì một vệ tinh có thể phủ sóng cho một vùng rộnglớn trến trái đất, nên một bộ phát đáp trên vệ tính có thể cho phép nối mạng nhiềutrạm mặt đất từ các vùng địa lý cách xa nhau trên trái đất Các vệ tinh đảm bảođường truyền thông tin cho các cho các vùng dân cư xa xôi hẻo lánh khi mà cácphương tiện thông tin khác khó đạt đến Tử nghiên cứu các số liệu quan trắc hơn

20 năm của nhà thiên văn Tycho Brahe, Johannes Kepler đã chứng minh rằng cáchành tinh quay quanh mặt trời trên các quỹ đạo elip chứ không phải tròn Ông đãtổng kết các nghiên cứu của mình trong ba định luật chuyển động hành tinh Haiđịnh luật đầu đã được công bố trong tạp chí New Astromy vào năm 1609 và địnhluật thứ ba được công bố trong cuốn sách Harmony of The World vào năm 1619

Ba định luật này được trình bầy như sau

• Định luật 1 Quỹ đạo của một hành tinh có dạng elip với mặt trời nằm tại

tiêu điểm

• Định luật 2 Bán kính của vectơ nối hành tinh và mặt trời quét các diện tích

bằng nhau trong khoảng thời gian bằng nhau

• Định luật 3 Bình phương chu kỳ quay quanh quỹ đạo của hành tinh tỷ lệ

với lập phương bán trục chính của elip

Ba định luật này là cơ sở để mô tả quỹ đạo của vệ tinh quay quanh trái đấttrong đó vệ tinh đóng vai trò hành tinh còn trái đất đóng vai trò mặt trời Đến naynhiều hệ thống thông tin vệ tinh đã được thiết lập với các quỹ đạo vệ tinh khácnhau, trong đó chỉ có vệ tinh Molnya của Liên xô cũ là sử dụng quỹ đạo elip, còncác vệ tinh còn lại đều sử dụng quỹ đạo tròn Hiện nay không chỉ có các hệ thốngthông tin vệ tinh cho các đối tượng cố định mà các hệ thống thông tin vệ tinh di

động cũng đã được thiết lập và đưa vào khai thác Ngày càng có xu thế tích hợpthông tin vệ tinh với thông tin mặt đất.

Được sự định hướng và hướng dẫn của ThS Phạm Minh Quang, nhóm

chúng em đã chọn, tìm hiểu và thuyết trình về đề tài: “Mạng Internet Không Dây Sử Dụng Hệ Thống Thông Tin Vệ Tin”, nhằm để xây dựng và nghiên cứu

mở rộng kiến thức cho môn học Thu phát vô tuyến

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH THÔNG TIN 1.1 Vệ tinh thông tin

1.1.1 Định nghĩa

Vệ tin Vệ tinh thông tin ( tiếng Anh: Communications Satellite, đôi khi viết tắt là SATCOM) là vệ tinh nhân tạo đặt trong không gian dùng cho viễn thông Vệ tinh thông tin hiện đại có nhiều loại quỹ đạo như quỹ đạo địa tĩnh, quỹ đạo Molniya, quỹ đạo Ellip, quỹ đạo ( cực và phi cực) trái đất thấp

Vệ tinh thông tin là kỹ thuật tiếp sức vô tuyến vi ba bên cạnh thông tin cáp quang biển trong truyền dẫn điểm điểm cố dịnh Nó cũng được dùng trong các ứng dụng di động như thông tin cho tàu xe, máy bay, thiết bị cầm tay và cho cả tivi và quảng bá khi mà các kỹ thuật khác như cáp quang không thực tế hoặc không thể

1.1.2 Lịch sử phát triển

 Vào cuối TK 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đã đưa ra các kháiniệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng Ông cũng đưa ra ý tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển dùng để thăm dò vũ trụ

 Tháng 10/ 1957 lần đầu tiên trên thế giới , Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK-1 Đánh dấu 1 kỷ nguyên về TTVT

 Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ, bay ở quỹ đạo thấp

 Năm 1972-1976 Cânda, Mỹ, Liên Xô và Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa

 Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh

1.2 Hệ thống thông tin vệ tinh

1.2.1 Cấu trúc tổng quát

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm 2 phần:

 Phần không gian

 Phần mặt đất

Hình 1: Hệ thống thông tin vệ tinh

Muốn thiết lập một đường thông tin vệ tinh, trước hết phải phóng một vệ tinh lên quỹ đạo và có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện Vệ tinh có thể là

vệ tinh thụ động, chỉ phản xạ sóng vô tuyến một cách thụ động mà không khuếch đại và biến đổi tần số Vệ tinh sẽ thu tín hiệu từ một trạm mặt đất (SES:Satellite Earth Station) biến đổi, khuếch đại và phát lại đến một hoặc nhiều chiều trạm mặt đất khác

Tín hiệu từ một trạm mặt đất đến vệ tinh gọi là đường lên (Uplink) và tín hiệu từ vệ tinh trở về một trạm mặt đất khác là đường xuống (Downlink) Thiết

bị thông tin trên vệ tinh bao gồm một số bộ phát đáp sẽ khuếch đại tín hiệu ở các băng tần nào đó lên một công suất đủ lớn và phát lại về mặt đất

1.2.2 Phần không gian

Bao gồm vệ tinh thông tin và các trạm điều khiển TT&C (Telemetry, Tracking & Command: đo lường từ xa, bám và lệnh) ở mặt đất Đối với vệ tinhbao gồm phân hệ thông tin (payload) và các phân hệ phụ trợ cho phân hệ thôngtin:

 Phân hệ thông tin

Bao gồm hệ thống anten thu phát và tất cả các thiết bị điện tử hỗ trợ truyền dẫn các sóng mang

 Phân hệ phụ trở gồm:

- Khung vệ tinh

- Phân hệ cung cấp năng lượng

- Phân hệ điều khiển nhiệt độ

- Phân hệ điều khiển quỹ đạo và tư thế của vệ tinh

Phân hệ điều

khiển quỹ đạo

và tư thế vệ tinh

Duy trì tư thế cử vệ tinh(tư thế anten, cánhpin mặt trời) và xác định các thông số về quỹ đạo

Độ chính xác vị trí quỹ đạo

và vùng phủ sóng của vệ tinh

Số lượng kênh TT&C, tính bảo mật thông tin

Phân hệ điều

khiển nhiệt Duy trì nhiệt độ các thiết bị trên vệ tinh

trong giới hạn hoạt động cho phép

Khả năng phân tán nhiệt

1.2.2.1 Nhiệm vụ phân hệ thông tin:

 Khuếch đại sóng mang thu được phục vụ cho việc phát lại trên đường xuống

 Công suất sóng mang tài đầu vào của máy thu vệ tinh nằm trong khoảng 100

Pw đến 1 PW Công suất sóng mang tại đầu ra bộ khuếch đại công suất của bộ pháp đáp vệ tinh khoảng 100 Db đến 130 Db

 Thay đổi tần số sóng mang để tránh một phần công suất phát đi vào máy thu vệtinh

 Để thực hiện các chức năng trên vệ tinh hoạt động như một trạm chuyển tiếp đơn giải Thay đổi tần số trên vệ tinh được thực hiện bằng các bộ đổi tần Vệ tinh loại này được gọi là “ Transparent Satellite” Nếu các sóng mang được giảiđiều chế trên vệ tinh, thay đổi tần số sẽ đạt được bằng cách điều chế các sóng mang mới cho đường xuống Các vệ tinh loại này được trang bị các bộ xử lý băng gốc và được gọi là “ Regenerative Satellite”

1.2.2.2 Nhiệm vụ của phần không gian

 Phân hệ đo, bám và điều khiển TT&C: cho phép đo từ xa các thông số vệ tinh báo cáo về trạm điều khiển dưới mặt đất để nhận được các lệnh điều khiển tương ứng

 Phân hệ này phát đi tín hiệu hải đăng thông báo về vị trí bị xê dịch của nó để đảm bảo bám từ trạm mặt đất Ngoài ra, dựa trên tín hiệu này trạm điều khiển dưới mặt đất cũng phát lệnh điều khiển vị trí vệ tinh Tuyến thông tin thiết lập giữa trạm mặt đất phát và máy thu của vệ tinh được gọi là đường lên Uplink

Vệ tinh sẽ phát các tín hiệu thu được từ các trạm mặt đất phát xuống các trạm mặt đất thu, tuyến thông tin này được gọi là đường xuống Downlink

 Đường lên (Uplink): là tuyến phát từ trạm mặt đất lên vệ tin Điểm kết cuối đường lên vệ tinh là anten thu (Receive Antenna – Uplink) vệ tinh, thu tín hiệu

từ trạm mặt đất phát lên sau đó được bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA: Low Noise Amplifier) khuếch đại tín hiệu lên mức cần thiết rồi đưa đến các bộ lọc

(filter), tiếp theo đó tín hiệu được làm cho yếu đi hoặc mạnh lên (Atten/Amp) tùy theo yêu cầu khai thác rồi đưa đến hệ thống xử lý (Proccessing).

 Đường xuống (Downlink): tín hiệu đầu ra Proccessing được đưa đến bộ

Atten/Amp để làm cho yếu đi hoặc mạng lên tùy theo yêu cầu rồi đưa đến các

bộ lọc để lấy các tín hiệu mong muốn đưa đến bộ khuếch đại công suất lớn (High Power Amplifier) rồi đưa ra anten phát (Transmit Antenna) phát tín hiệu xuống mặt đất

 Toàn bộ hệ thống suy hao, khuếch đại của đường lên và đường xuống cùng hệ thống dịch tần (Freq Trans) được điều khiển và đưa đến hệ thống Proccessing

1.2.3 Phần mặt đất

Bao gồm tất cả các trạm mặt đất, những trạm này thường được nối trực tiếp hoặc thông qua các mạng mặt đất để đến các thiết bị đầu cuối của người sửdụng

 Nhiệm vụ trạm mặt đất phát: Tiếp nhận các tín hiệu từ mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ các thiết bị đầu cuối của người sử dụng, xử lý các tín hiệu này trong trạm mặt đất sau đó phát tín hiệu này ở tần số và mức độ công suất thích hợp cho sự hoạt động của vệ tinh

 Nhiệm vụ trạm mặt đất thu: Thu các sóng mang trên đường xuống của vệ tinh

ở tần số chọn trước, xử lý tín hiệu này trong trạm để chuyển thành các tín hiệu băng gốc sau đó cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp tới các thiết bị đầu cuối của người sử dụng

Một trạm mặt đất có thể có khả năng thu và phát lưu lượng một cách đồng thời hoặc trạm chỉ phát hoặc chỉ thu

1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh

Thông tin vệ tinh là một trong những hệ thống truyền dẫn vô tuyến, sử dụng vệtinh để chuyển tiếp tín hiệu đến các trạm mặt đất Vì trạm chuyển tiếp vệ tinh

có độ cao rất lớn nên thông tin vệ tinh có những ưu điểm so với các hệ thống viễn thông khác đó là:

 Cấu hình lại hệ thống mạng mặt đất đơnn giản, nhanh chóng và giảm giá thành

 Có khả năng băng thông rộng Các bộ lặp trên vệ tinh thường là các thiết bị có băng tần rộng, có thể thực hiện nhiều loại dịch vụ thông tin băng rộng cũng như các dịch vụ khác Độ rộng băng tần của mỗi bộ lặp (repeater) có thể lên đến hàng chục megahert Mỗi bộ lặp có thể được sử dụng cho hai trạm mặt đất trong vùng phủ sóng của vệ tinh Các hệ thống thông tin trên mặt đất thường giới hạn ở cự lú gần

 Ít chịu ảnh hưởng bởi địa hình của mặt đất Do độ cao bay lớn nên thông tin vệtinh không bị ảnh hưởng bởi địa hình thiên nhiên như đồi núi, thành phố, sa mạc, đại dương Sóng vô tuyến chuyển tiếp qua vệ tinh có thể truyền tới các vùng xa xôi hẻo lánh, hải đảo, bởi vậy thông tin vệ tinh là phương tiện thông tin tốt nhất cho các vùng nông thôn và các vùng chưa phát triển Thông tin vệ tinh có thể cung cấp các loại dịch vụ phổ thông cho cả thành phố, nông thôn cũng như miền núi và hải đảo Thông tin vệ tinh đẩy nhanh sự phát triển nền công nghiệp các phương tiện xử lý số liệu ở nông thôn

 Dịch vụ thông tin vệ tinh có băng tần rộng và có thể truyền tới bất kỳ nơi nào trên thế giới đã đưa đến việc tìm ra các thị trường mới cũng như mở rộng các thị trường dịch vụ hạ tầng và các đường thông tin đã được sử dụng trên mặt đất.

 Các dịch vụ mới Do những khả năng đặc biệt của thông tin vệ tinh nên đã đưa vào các khái niệm mới cho lĩnh vực viễn thông Trước khi có thông tin vệ tinh ( trước năm 1958), hầu như các dịch vụ viễn thông quốc tế đều được sử dụng sóng ngắn phản xạ tầng điện ly Thông tin này đã không đáp ứng được các yêu cầu do chất lượng xấu, dung lượng thấp, băng tần hẹp, ngay cả khi công nghệ của loại hình viễn thông này đạt tới mức giới hạn

 Các dịch vụ cá nhân của khách hàng Các trạm mặt đất nhỏ với anten kích thước bé có thể truy cập đến các cơ sở dữ liệu, các cơ quan bộ và các hệ thống quản lý thông tin Các trạm này có các thiết bị đầu cuối kích thước rất nhỏ, gọi

là VSAT ( very small aperture terminals) Các đầu cuối này thường được đặt tại nhà của khách hànhg hay các khu vực có các yêu cầu dịch vụ phổ thông với dung lượng

CHƯƠNG II: QUỸ ĐẠO VỆ TINH

2.1 Các nguyên lý về quỹ đạo:

2.1.1 Định luật thứ nhất của Kepler:

Vệ tinh chuyển động vòng quanh trái đất theo một quỹ đạo hình Ellip với tâm của trái đất nằm ở một trong hai tiêu điểm của Ellip Điểm xa nhất của quỹ đạo

so với tâm trái đất nằm ở phía của tiêu điểm thứ hai, được gọi là viễn điểm còn điểm gần nhất của quỹ đạo được gọi là cận điểm

 Vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo tròn hoặc Ellip

 Tâm trái đất nằm 1 trong 2 tiêu điểm của quỹ đạo Ellip

 Nếu là quỹ đạo tròn thì tâm của quỹ đạo trùng với tâm của trái đất

 Khi e = 0 thì quỹ đạo vệ tinh là quỹ đạo tròn

2.1.2 Định luật Kepler thứ hai:

Vệ tinh chuyển động theo một quỹ đạo với vận tốc thay đổi sao cho đường nối giữa tâm trái đất và vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau khi vệ tinh chuyển động trong cùng một thời gian như nhau

Với : T1=T2thì S1=S2

Ý nghĩa:

 Vệ tinh chuyển động với vận tốc

nhanh hơn khi gần trái đất hoặc chậm

hơn khi xa trái đất

 Vận tốc chuyển động của vệ tinh trên

quỹ đạo tròn là không đổi và được xác

định:

 Vệ tinh bay ở quỹ đạo tròn có bán kính R sẽ là một đại lượng không đổi, được

xác định khi thực hiện lấy phép cân bằng lực hút và lực ly tâm mMG

mV2

R , cóvận tốc là V =√GM R =

 M: là khối lượng của trái đất (5,974.1027 )

 m: là khối lượng của quả vệ tinh (g)

 R: là khoảng cách từ tâm trái đất đến vệ tinh (Km)

2.1.3 Định luật Kepler thứ ba:

Bình phương của chu kỳ quay tỷ lệ thuận tới lũy thừa bậc ba cúa bán trục lớn của quỹ đạo Ellip

T2=k a3

k: là hệ số tỷ lệ, có giá trị không đổi đối với một vật thể xác định trên quỹ đạo

2.2.1 Các quỹ đạo:

Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái đất

Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác

Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là:

 Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất

 Quả đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh

Hình 1: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh

2.2.1.1 Quỹ đạo đồng bộ - địa tĩnh (GEO – Geostationalry Earth Orbit):

Hình 2: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

Là quỹ đạo thỏa mãn các điều kiện sau: