Xemtailieu Tải về Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh vsat tại việt nam
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI *********♦********* PHẠM TRẦN QUỲNH NGHIÊN CỨU DANH GIA KẾT QUẢ ỨNG DỤNG HỆ THỐNG THONG TIN VỆ TINH VSAT TẠI VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHÀNH : KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. NGUYỄN TIẾN DUNG HÀ NỘI - 2008 Luận văn thạc sỹ 1 Phạm Trần Quỳnh 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 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 2 Phạm Trần Quỳnh 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 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ Phạm Trần Quỳnh 3 DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt ACK Tiếng Anh Acknowledgement Tiếng Việt Gói tin ACK được phát đi từ phía thu xác nhận đã nhận được gói tin có số thứ tự được chỉ rõ trong nội dung gói ACK này Bandwidth Delay Tích số giữa độ rộng băng tần và độ trễ. Giá Product trị này biểu thị lượng dữ liệu trong mạng. BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bít BSP Baseband Signal Bộ xử lý tín hiệu băng cơ sở BDP Processor BW Bandwidth Độ rộng băng tần. CCM C-Band Converter Mạch đảo tần băng C Module CETEN Cumulative Error Thông báo rõ lỗi tích luỹ khi truyền tải Transport Explicit Notification Codec Coder/Decoder Bộ mã hoá/Bộ giải mã CoS Class of Service Lớp dịch vụ CU Channel Unit Khối kênh DAMA Demand Assigned Đa truy nhập phân chia theo yêu cầu Multiple Access DEM Demodulater Bộ giải điều chế DEMUX Demultiplexer Bộ tách kênh DIU Digital Interface Unit Khối giao diện số Eb/No Energy Per Bit To Tỷ số năng lượng bit/Mật độ tạp âm Noise Density Ratio ECM Echo Canceller Module Khối khử tiếng vọng Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ EIRP Equivalent Isotropic 4 Phạm Trần Quỳnh Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương Radiated Power FDMA Frequency Division Đa truy nhập phân chia theo tần số Multiple Access FIM Facsimile Interface Mạch giao diện fax Module FIN Finish Gói tin FIN được phía phát TCP sử dụng để thông báo kết thúc kết nối. FLP Forward Link Bộ xử lý tuyến từ trạm chủ đến trạm con Processor FTP File Transfer Protocol GEO Geostationary Earth Orbit Giao thức truyền File Quỹ đạo địa tĩnh. Vệ tinh ở quỹ đạo này có chu kì quay xung quanh bằng chu kì tự quay của trái đất. HACK Header ChecKsum Tuỳ chọn tổng tiêu đề, bằng tuỳ chọn này phía thu có thể thông báo được chính xác tiêu đề của gói tin bị lỗi HPA High Powered Bộ khuyếch đại công suất cao Amplifier HTTP HyperText Transfer Giao thức truyền dẫn siêu văn bản Protocol ICC Inbound Control Kênh kiểm soát vào Channel ICM Interface Converter Mạch chuyển đổi giao diện Module ICMP Internet Control Giao thức bản tin điều khiển Internet MessageProtocol Khối ngoài trời IDU In Door Unit IF Intermediate Frequency Tần số trung gian Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ IGMP Internet Group Phạm Trần Quỳnh 5 Giao thức quản lí nhóm Internet. Management Protocol IP Internet Protocol Giao thức Internet ISN Initial Sequence Số thứ tự khởi tạo-giá trị này được phía phát Number TCP tạo ra và gán cho gói tin đầu tiên của kết nối IW Initial Window Kích thước cửa sổ khởi đầu KCM Ku-Band Converter Mạch đảo tần băng Ku Module LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo thấp LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp LQT Link Quality Test Kiểm tra chất lượng đường truyền LRE Low Rate Encoding Mã hoá tốc độ thấp MCU Monitor Channel Unit Khối kênh giám sát MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo trung bình MOD Modulater Bộ điều chế MODEM Modulater/Demodulater Bộ điều chế /Giải điều chế MTU Maximum Transfer Unit Đơn vị truyền dẫn có kích thước lớn nhất NCS Network Control Hệ thống điều hành mạng System NM Network Management Quản lý mạng OCC Outbound Control Kênh kiểm soát ra Channel ODU Out Door Unit OFDM Orthogonal Frequency Khối trong nhà Division Multiplexing QoS Quality of Service Chất lượng của dịch vụ RG Receive Groundstation Phía mặt đất phía thu RRM Radio Resources Quản lý tài nguyên vô tuyến Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 6 Phạm Trần Quỳnh Management Retransmission Timeout Khoảng thời gian chờ truyền lại, tính dựa RTO trên RTT và một số biến khác RTT Round Trip Time Thời gian trễ vòng, được tính bằng khoảng 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 nghẽn SACK Selective Xác nhận có lựa chọn, khi sử dụng tuỳ chọn Acknowlegement này phía thu có thể xác nhận được nhiều hơn một gói tin đã tới đích SCPC Single Channel Per Đơn kênh trên sóng mang Carrier SCTP Stream Control Giao thức truyền tải điều khiển luồng TransportProtocol SG Sender Groundstation Phía mặt đất phía phát SI STAR Interface Giao tiếp STAR SMTP Simple Mail Transfer Giao thức truyền thư điện tử đơn giản Protocol SNMP Simple Network Giao thức quản lí mạng đơn giản Management Protocol SPC Store Programed Bộ điều khiển theo chương trình Control STAR SCPC TDMA Aloha Return Link 3 kỹ thuật truy nhập Slotted Aloha, Aloha, TDMA dùng cho hướng truyền từ trạm con về trạm chủ SYN Synchronize Gói tin đồng bộ. Gói tin này được gửi ở thời Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 7 Phạm Trần Quỳnh 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 Bộ tối ưu TCP qua kênh vệ tinh TCPA TCP Accelerator TDM Time Division Multiplex Ghép kênh phân chia thời gian TDMA Time Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo thời gian Access TES Telephony Earth Station Trạm điện thoại mặt đất TI TOLL Interface Giao tiếp TOLL TOLL TPC Orthogonal Hướng từ trạm chủ đến trạm con dùng frequency division phương pháp ghép kênh phân chia tần số multiplexed L- code trực giao mã hoá TPC Link TRIA Transmit Receive Khối giao diện thu phát Interface Assembly TSN Transmision Sequence Số thứ tự truyền tải Number UDP User Datagram Giao thức truyền tải đơn vị dữ liệu người Protocol dùng. Giao thức này truyền dữ liệu một cách không tin cậy VCU Voice Channel Unit Khối kênh thoại VSAT Very Small Aperture Trạm mặt đất dung lượng nhỏ Terminal Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 8 Phạm Trần Quỳnh DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1. Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh 15 Hình 1.2. Cửa sổ giữ trạm đối với vệ tinh địa tĩnh 17 Hình 1.3. Phân hệ thông tin của vệ tinh 18 Hình 1.4. Cấu trúc cơ bản của một trạm mặt đất 22 Hình 1.5. Phân cực Ellipse 23 Hình 1.6 Anten vô hướng 26 Hình 1.7 Anten trên thực tế 26 Hình 1.8 Can nhiễu giữa các hệ thống thông tin vệ tinh 33 Hình 2.1. Đường kết nối TCP/IP qua vệ tinh địa tĩnh 40 Hình 2.2. Cuộc nối Ethernet đến Ethernet qua nền IP 47 Hình 2.3. Định tuyến động IP 49 Hình 2.4. Ảnh hưởng của Khởi đầu chậm và Tránh nghẽn 51 Hình 2.5. Cơ chế chia/ghép kết nối 54 Hình 3.1. Vùng phủ sóng của vệ tinh IPSTAR 59 Hình 3.2. Vùng phủ sóng của vệ tinh IPSTAR tại Việt Nam 60 Hình 3.3. Sơ đồ khối chức năng trạm cổng IPSTAR 60 Hình 3.4. Cấu trúc khungSơ đồ RF cho toàn hệ thống 62 Hình 3.5. Sơ đồ kết nối quang M-Site với D- Site 63 Hình 3.6. Sơ đồ IP toàn hệ thống 64 Hình 3.7. Cấu trúc khung/ khe 69 Hình 3.8. Mô phỏng OFDM đơn giản 69 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 9 Phạm Trần Quỳnh Hình 3.9. Các kiểu kênh STAR Link 71 Hình 3.10 Cấu trúc khung của STAR Link cho loại 8 kênh 71 Hình 3.11. Cấu hình trạm thuê bao 74 Hình 4.1. Cấu hình dịch vụ thoại VoIP 76 Hình 4.2. Cấu hình truy cập Internet băng rộng 77 Hình 4.3. Cấu hình cung cấp dịch vụ Hotspot 78 Hình 4.4. Cấu hình dịch vụ thuê kênh riêng IP và mạng riêng VPN 80 Hình 4.5. Cấu hình dịch vụ GSM Trunking 81 Hình 4.6. Cấu hình cung cấp dịch vụ truyền hình hội nghị 82 Hình 4.7. Cấu hình cung cấp dịch vụ đào tạo từ xa 83 Hình 4.8. Cấu hình dịch vụ IP2TV 84 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 10 Phạm Trần Quỳnh 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 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 11 Phạm Trần Quỳnh 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. Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 12 Phạm Trần Quỳnh CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG 1.1. Giới thiệu chung 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 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 13 Phạm Trần Quỳnh 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 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 14 Phạm Trần Quỳnh 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 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ Phạm Trần Quỳnh 15 mà ta có thể kể đến như cấp và tự động quản lý thẻ tín dụng, thu thập và phân tích số liệu, cung cấp dịch vụ thoại , hội nghị truyền hình,.... Hình dưới đây thể hiện cấu trúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh trong thực tế [2]. Nó có thể chia thành hai thành phần chính là phần không gian (Space Segment) và phần mặt đất (Ground Segment). ph Çn k h « n g g ia n TuyÕn lªn TuyÕn xuèng Tr ¹ m ®iÒu k h iÓn (t t &c ) C¸ c m¸ y ph ¸ t C¸ c m¸ y t h u Ph Çn mÆt ®Êt Hình 1.1: Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh 1.2. Phần không gian 1.2.1. Cấu trúc Phần không gian là khái niệm để chỉ một phần của hệ thống bao gồm vệ tinh và tất cả các thiết bị trợ giúp cho hoạt động của nó như các trạm điều khiển và trung tâm giám sát vệ tinh. Tại các trung tâm này các hoạt động bám sát, đo lường từ xa và điều khiển (TT&C - Tracking Telemetry and Command) sẽ được thực hiện nhằm Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ 16 Phạm Trần Quỳnh 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). Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ Phạm Trần Quỳnh 17 1.2.2. Vai trò của trạm điều khiển Trên lý thuyết, các vệ tinh chuyển động với các quỹ đạo có hình dạng là đường tròn hoặc đường Ellipse nhưng trong thực tế các quỹ đạo này không được hoàn toàn như lý thuyết do vệ tinh còn phải chịu tác động của rất nhiều yếu tố khách quan như sự thay đổi ngẫu nhiên lực hút của trái đất, lực hấp dẫn của các hành tinh lân cận,... Vì vậy ngay đối với vệ tinh địa tĩnh thì vẫn luôn có sự dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó. Thêm nữa quỹ đạo của chúng còn bị nghiêng (Inclined Orbit). Điều này dẫn đến trong hệ thống phải có các trạm điều khiển và trong các trạm mặt đất phải có hệ thống bám. 75km Tr¸i §Êt 0.1° 85km 75km §é trît vÖ tinh: B¾c Nam (NS) ±0.05° §«ng T©y (EW) §é lÖch t©m : 0.001 §êng XÝch §¹o Quü ®¹o danh ®Þnh cña vÖ tinh ®Þa tÜnh Hình 1.2 : Cửa sổ giữ trạm đối với vệ tinh địa tĩnh Sự dao động của vệ tinh địa tĩnh xung quanh vị trí tương đối rõ ràng sẽ làm cho thời gian truyền dẫn giữa trạm và vệ tinh luôn bị thay đổi. Đồng thời nó còn gây ra hiệu ứng Doppler đối với sóng mang. Tất cả những ảnh hưởng này đều gây nên những khó khăn cho quá trình truyền dẫn và đồng bộ của hệ thống, nhất là trong các hệ thống truyền dẫn số (Digital Transmission). Ngoài ra trạm điều khiển còn có chức năng giữ antenna thu phát của vệ tinh luôn hướng về vùng phủ sóng trên mặt đất. Hoạt động của trạm điều khiển dựa trên cơ sở các thông tin đo đạc nhận từ rất nhiều bộ cảm biến (sensor) đặt trên vệ tinh [2]. Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ Phạm Trần Quỳnh 18 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. 1 FC FU LNA MIX PPA Transponde r FD MUX HYBRID FLO OSC ARx n Transponde r VÖ tinh ATx Hình 1.3: Phân hệ thông tin của vệ tinh 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 Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Luận văn thạc sỹ Phạm Trần Quỳnh 19 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: và tín hiệu ngoại sai có dạng: I (t)= Acos[(2πFUt) + φU] 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) Nghiên cứu đánh giá kết quả ứng dụng hệ thống thông tin vệ tinh VSAT tại Việt Nam Tải về bản full