Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT, đi sâu hệ thống mã hóa chống nhiễu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM
KHOA: ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
BỘ MÔN: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:“ Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ
tinh INMARSAT, đi sâu hệ thống mã hóa
chống nhiễu ”

Giảng viên hướng dẫn:
TS. Phạm Văn Phước

Sinh viên thực hiện:
Phạm Đức Thường


NỘI DUNG CHÍNH
I. Hệ thống thông tin vệ tinh INMARSAT
II. Đi sâu hệ thống mã hóa chống nhiễu trong
INMARSAT
III. Kết luận


I. HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
INMARSAT
1. Giới thiệu chung
 INMARSAT ( International Maritime Satellite Organization ): là
một tổ chức thông tin vệ tinh hàng hải quốc tế mới thành lập
năm 1979.
 Sau đó đổi thành International Mobile Satellite Organization

(1994) - Tổ chức vệ tinh di động quốc tế.
 INMARSAT dùng để khai thác và quản lý các dịch vụ thông tin
hàng hải trên thế giới, chủ yếu phục vụ cho thông tin di động
hàng hải.. Một ứng dụng đặc biệt của nó là trong hệ thống
GMDSS (Global Maritime Distress and Safety Systems) cung
cấp thông tin cho mục đích tìm kiếm cứu nạn hàng hải toàn cầu.


2. Cấu trúc hệ thống thông tin Inmarsat
a) Khâu không gian
Gồm 4 vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh bao phủ 4 vùng đại
dương :
+ Đông Đại Tây Dương ( AOR - E )
+ Tây Đại Tây Dương ( AOR - W )
+ Thái Bình Dương ( POR )
+ Ấn Độ Dương ( IOR )

Hình 1. Vị trí các vệ tinh
INMARSAT


b) Khâu điều khiển:
• Trạm điều khiển trung tâm NCC ( Network Control
Centre )
• Các trung tâm điều khiển vệ tinh SCC ( Satellite
Control Centre )
• Trạm TT&C (Tracking Telemetry and command): truy
theo và điều khiển từ xa các vệ tinh
• Các trạm phối hợp mạng NCS (Network Coordination
Station)

• Các trạm LES (Land Earth Station) : có nhiệm vụ kết
nối các đường thông tin giữa vệ tinh với các thuê bao
cố định trên mặt đất.


LES 1

LES 1

LES 2

LES 2

NCS
AOR-E

LES n

NCS
POR

LES n

NCS
IOR

LES n

NOC
(LonDon)

NCS
AOR-W

LES n

LES 2

LES 2
LES 1

LES 1

Hình 2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống các đài mặt
đất INMARSAT


c)Khâu người sử dụng:
• Là các thiết bị đầu cuối của các đài di động mặt đất
MES (Mobile Earth Station), hoặc của các đài tàu SES
(Ship Earth Stations) trong hệ thống thông tin
Inmarsat
• Các thiết bị này cung cấp mối liên hệ giữa các người
sử dụng với mạng thộng tin Inmarsat.


3. Các hệ thống thông tin Inmarsat
• Hệ thống Inmarsat cung cấp đường liên lạc vệ tinh
cho hàng hải, mặt đất và hàng không. Hiện nay
nghành hàng hải sử dụng các loại Inmarsat sau:
Inmarsat - A

Inmarsat - B
Inmarsat - C
Inmarsat - M/mM
Inmarsat - E
Inmarsat - F


a) Hệ thống Inmarsat - A
•
•
•

•

Được đưa vào sử dụng trên các tàu biển từ năm
1982, sử dụng kỹ thuật tương tự.
Hệ thống Inmarsat - A cung các các dịch vụ: Telex,
Fax, Thoại, Truyền dữ liệu.
Hệ thống này có một số nhược điểm: Anten có
kích thước lớn, cồng kềnh đòi hỏi cơ cấu ổn định và
truy theo phức tạp, tiêu tốn năng lượng lớn, đòi
hỏi công suất và băng thông lớn
Hệ thống INMARSAT - A đã chính thức ngừng cung
cấp dịch vụ từ 31/12/2006.


b) Hệ thống Inmarsat - B
• Hệ thống này ra đời năm 1993, là sự thay thế kế tiếp,
cải tiến hoàn thiện cho hệ thống Inmarsat – A.
• INMARSAT-B sử dụng kỹ thuật thông tin số nên

có kích thước và trọng lượng nhỏ hơn, tiêu thụ
nguồn ít hơn, chất lượng thông tin cao hơn
Inmarsat - A
• Hệ thống này cung cấp các dịch vụ hoàn toàn giống
với hệ thống Inmarsat – A gồm: thoại, Fax, telex,
truyền dữ liệu tốc độ cao.


c) Hệ thống Inmarsat - C
• Được đưa vào khai thác vào tháng 1/1991, đây là hệ
thống Inmarsat đáp ứng đầy đủ yêu cầu của công ước
quốc tế GMDSS.
• Hệ thống sử dụng công nghệ kỹ thuật số, cung cấp các
dịch vụ telex, SMS, email, fax và data.
• Hệ thống này có ưu điểm là giá thành thấp, sử dụng
anten vô hướng, kích thước và khối lượng của anten
gọn nhẹ nên phù hợp cho lắp đặt ở những nơi có kích
thước vật lý nhỏ.


d) Hệ thống Inmarsat M/mM
• Inmarsat - M được đưa vào hoạt động vào những năm 1993,
1994
• Inmarsat - M chỉ có thể cung cấp các dịch vụ như: thoại, Fax,
không có telex nên chỉ được ứng dụng cho các tàu có kích
thước nhỏ.
• Inmarsat - mM bắt đầu được đi vào khai thác từ 1/1997
• Hệ thống cung cấp các dịch vụ: thoại, Fax, mail, truyền dữ liệu.
• Ưu điểm: thiết bị nhỏ gọn, giá thành thiết bị hạ, giá cước
thông tin thấp.

• Nhược điểm: không có chức năng kêu cứu và thông tin an toàn
hàng hải.


e) Hệ thống Inmarsat - E
• Hệ thống Inmarsat - E còn được gọi là EPIRB băng L, là
một thiết bị bắt buộc trang bị trên tàu chạy trên các
vùng biển dùng để báo động cấp cứu khi tàu bị nạn.
• Bức điện mà Inmarsat - E phát đi chỉ gồm: tín hiệu
báo động cấp cứu, số nhận dạng của tàu bị nạn, vị trí
bị nạn, thời gian bị nạn, tính chất bị nạn.
• Từ 31/12/2007 INMARSAT-E không còn cung cấp dịch
vụ, các chức năng của nó được hệ thống COSPASSARSAT đảm nhiệm.


f) Hệ thống Inmarsat - F
• Hệ thống Inmarsat - F là hệ thống thông tin Inmarsat
mới nhất hiện nay, nó ra đời trước nhu cầu ngày càng
cao của sự phát triển của nghành hàng hải, hàng
không cũng như các lĩnh vực thông tin khác.
• Inmarsat - F sử dụng trong thông tin Hàng hải bao
gồm F77, F55, F33 là một tập hợp các dịch vụ truyền
thông hàng hải từ Inmarsat cung cấp cung cấp thoại,
fax, truy cập Internet, và các dữ liệu.


II. Đi sâu hệ thống mã hóa
chống nhiễu trong INMARSAT

1. Giới thiệu chung

• Việc truyền tin bao giờ cũng có nhiễu, vấn đề đặt ra là
phải làm thế nào để tăng độ chính xác của việc truyền
tin, nghĩa là lỗi xảy ra ít nhất. Để giải quyết vấn đề này
ta cũng thực hiện mã hoá.
• Mục đích của sự mã hoá tin tức là làm cho hệ thống
truyền tin có tính hiệu quả và có độ nhập tin cao
nghĩa là tăng tốc độ truyền tin và khả năng chống
nhiễu của hệ thống.
• Việc mã hoá dữ liệu cung cấp một phương tiện phát
hiện lỗi hiệu quả ở thiết bị đầu cuối thu.


2. Các phương thức truyền tin chống nhiễu
Mã phát hiện lỗi cho phép phát hiện một hoặc nhiều lỗi
trong khối bit dữ liệu thu.
Mã sửa lỗi cho phép thiết bị đầu cuối thu xác định vị trí
và sửa một số lượng lỗi hạn chế trong khối bit dữ liệu
thu.
Trong thông tin vệ tinh sử dụng hai phương thức phát
hiện và sửa lỗi cơ bản là ARQ (tự động phát lại khi có
yêu cầu) và FEC (sửa lỗi trước)


3. Kỹ thuật mã hóa trong INMARSAT
3.1 Mã xoắn
a) Cách tạo mã xoắn
Trong phương
thức FEC, hệ
thống INM - C sử
dụng mạch mã

xoắn K = 7, R=1/2,
n=1 cho việc phát
hiện và sửa lỗi.
Trong đó:
- K: Chiều dài bộ ghi
dịch
- R: Tốc độ mã hoá
- n : Số bit đầu vào ở
mỗi thời điểm

Hình 3. Sơ đồ tạo mã xoắn
K=7, R=1/2


Giả sử dữ liệu đầu vào gồm 7 bit là: 1011010
U1= S1 ⊕ S3 ⊕ S4 ⊕ S6 ⊕ S7
U2= S1⊕ S2 ⊕ S3 ⊕ S4 ⊕ S7
Ta có bảng mã hóa sau:

Nội dung ghi dịch

U1

U2

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

0

1

0

1

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

1

Dãy bit đầu ra mạch mã hoá là : 11 01 00 01 10 01 01


Vì độ phức tạp của mạch mã hoá và giải mã tỷ lệ theo hàm
mũ với giá trị của K nên tạm thời xét một mạch mã xoắn có
giá trị K nhỏ hơn để tìm ra các quy luật mã hoá và giải mã
sau đó các đánh giá nhận xét với K=7.
- Xét mạch mã xoắn K=3, R=1/2, n=1
2k

Hình 4. Sơ đồ tạo mã xoắn K=3, R=1/2


Bảng chuyển dịch trạng thái:
Trạng thái
ban đầu
bộ ghi
dịch

Bit thông
tin đầu
vào

Nội dung
bộ ghi
dịch sau
khi có bit
vào

Cặp bit
đầu ra

Trạng thái
cuối bộ
ghi dịch

a: (0,0)

0
1

000
100

00
11

a: (0,0)
b: (1,0)

b: (1,0)

0
1

010
110

10

01

c: (0,1)
d: (1,1)

c: (0,1)

0
1

001
101

11
00

a: (0,0)
b: (1,0)

d: (1,1)

0
1

011
111

01
10

c: (0,1)
d: (1,1)


• Các giá trị a, b, c, d biểu thị
trạng thái bộ ghi dịch
• Đường nét đứt biểu thị sự
chuyển dịch trạng thái khi
các bit đầu vào là 1
• Đường nét liền biểu thị sự
chuyển dịch trạng thái khi
các bit đầu vào là 0
• Các giá trị ghi trên các đường
chuyển biến trạng thái là các
giá trị đầu ra tương ứng.
Hình 4. Đồ hình trạng thái


Hình 5. Sơ đồ mắt cáo mã xoắn K=3,
R=1/2
Sơ đồ này cũng được cấu trúc theo hai chiều thẳng đứng và nằm
ngang:
- Chiều thẳng đứng cho biết sự chuyển biến trạng thái.
- Chiều nằm ngang cho biết sự chuyển dịch theo thời gian.
- Mỗi nốt trên hàng cũng được gán nhãn A, B,...
- Các nốt trong cùng một hàng thì chuyển biến tới những trạng thái
giống nhau. Từ mỗi nốt có thể chuyển biến tới 2 trạng thái tiếp theo.
- Nhánh phía trên tương ứng với bit vào là 0
- Nhánh dưới tương ứng với bit vào là 1.

Từ đó ta có sơ đồ mã
xoắn K=7, R=1/2 như
hình bên.
- Trong sơ đồ này, ở
mức thứ nhất có 2
chuyển biến trạng thái
tới 2 nốt tiếp theo. Ở
mức thứ hai có 4
chuyển biến trạng thái
tới 4 nốt tiếp theo. Mức
thứ ba thì có 8 chuyển
biến trạng thái tới 8 nốt,
mức thứ tư là 16, mức
thứ 5 là 32, mức thứ 6
là 64
- Kể từ mức thứ 7, mỗi
nốt được chuyển biến
tới từ 2 nốt trước đó

Hình 6. Sơ đồ mắt cáo mã xoắn K=7,
R=1/2


3.2. Mã CRC
- Giả sử ta có dãy bit thông tin m bit có thể được biểu diễn
bằng một đa thức M(x) , một đa thức sinh G(x)
Việc mã hoá là thực hiện kiểm tra tổng (CS: check sum) cho
tất cả các bit tin gồm các bước sau:
Bước 1: Gọi r là bậc của G(x) ta thêm r bit 0 vào phần cuối

của dãy m bit để tạo ra một dãy (m + r) bit tương ứng với đa
r
thức sinh x .M ( x )
Bước 2: Thực hiện phép chia modullo-2 đa thức x .M ( x ) cho
G(x). Phép chia modullo-2 giống với phép chia thông thường
nhưng các phép trừ trong phép chia là modullo-2 nghĩa là
giống với phép cộng modullo-2.
Bước 3: Lấy dãy (m + r) bit trừ modullo-2 cho phần dư của
phép chia ở bước 2 ta có dẫy bit được kiểm tra tổng dẫy bit
này tương ứng với đa thức T(x)
r


VD: Cho dãy bit tin 1101011011 với đa thức sinh

G ( x ) = x + x + 1.
4

• Bước 1 : Đa thức sinh : 10011
Vì bậc G(x) là r = 4 nên sẽ có 4 bit 0 được thêmvào
dãy bit tin tạo thành 11010110110000.
• Bước 2: Thực hiện phép chia