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

1

MỤC LỤC


2

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
ADC
ADSL
AGC
AS
AWGN
BER
BSC
BSS
BTS
BWA
CDMA
CDN
CR
CSTR
DAB
FCC
FDMA
FEC
FSS
GEO
GPRS
GPS
GSM

HAP
HSTS
IEEE
IF
IMR
IPTV
ISU
ITK

Analog-to-digital converter
Asymmetric Digital Subscriber
Line
Automatic gain control
Adaptive system
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Base Station Controller
Broadcast Satellite Services
Base Transceiver Station
Broadband wireless access
Code Division Multiple Access
Content Delivery Network
Cognitive Radio
Cognitive Satellite Terrestrial
Radios
Digital audio broadcasting
Frequency Division Multiple
Access
Frequency Division Multiple
Access

Forward Error Correction
Fixed Satellite Services
Geostationary satellite
General Packet Radio Service
Global Positioning System
Global System for Mobile
High altitude platforms
Hybrid Satellite Terrestrial
System
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Intermediate Frequency
Intermediate Module Repeater
Internet Protocol Television
Incumbent spectral users
Interference temperature
knowledge

Mạch chuyển đổi tương tự ra số
Đường dây thuê bao số không
đối xứng
Điều khiển độ lợi tự động
Hệ thống thích nghi
Tạp âm Gausse trắng cộng sinh
Tỉ lệ lỗi bit
Bộ điều khiển trạm gốc
Dịch vụ Vệ tinh Quảng bá
Trạm thu phát sóng di động
Truy nhập không dây băng
thông rộng

Đa truy nhập phân chia theo mã
Mạng lưới phân phối nội dung
Vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức vệ tinh mặt đất
Công nghệ phát thanh kỹ thuật
số
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
Đa truy nhập phân chia theo tần
số
Hiệu chỉnh lỗi trước
Dịch vụ vệ tinh cố định
Vệ tinh địa tĩnh
Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
Hệ thống định vị toàn cầu
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
Tầng cao độ
Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt
đất
Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử
Tần số trung tần
Bộ lọc mô-đun trung gian
Truyền hình giao thức Internet
Người sử dụng phổ tần chính
Nhận biết độ nhiễu


3

ITU
LAN
LNA
MANET
MBMS
MIH
MSS
OFDM
P2P
PAN
PLL
PLMN
PSTN
PU
QID
QoS
RAN
RCS
REM
RF
RNC
SD
S-DMB
SDR
SI
SI-SAP
S-RAN
STC
SU
S-UMTS

TDMA

International Telegraph Union

Tổ chức viễn thông quốc tế
thuộc Liên hiệp quốc
Local Area Network
Mạng máy tính cục bộ
Low Noise Amplifier
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Mobile Ad-hoc Networks
Mạng tùy biến di động
Multimedia Broadcast/Multicast Hệ thống dịch vụ Quảng bá/
Services
Multicast đa phương tiện
Media Independent Handovers Truyền hình độc lập
Mobile Satellite Services
Dịch vụ Vệ tinh Di động
Orthogonal Frequency Division Công nghệ ghép kênh phân chia
Multiplexing
theo tần số trực giao
Peer-to-Peer
Mạng ngang hàng
Personal area networks
Mạng các nhân
Phase-locked loop
Vòng khóa pha
Public Land Mobile Network
Mạng di động mặt đất công
cộng

Public Switched Telephone
Mạng điện thoại chuyển mạch
Network
công cộng
Primary User
Người dùng chính
Queue IDentifiers
Trình xác minh hàng chờ
Quality of Service
Chất lượng dịch vụ
Regional area network
Mạng khu vực
Return channel via satellite
Kênh nhận thông qua vệ tinh
Radio Environment Maps
Bản đồ môi trường vô tuyến
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
Radio Network Controller
Bộ điều khiển thông tin di động
thế hệ 3
Satellite Dependent
Vệ tinh phụ thuộc
Satellite digital multimedia
Vệ tinh kỹ thuật số quảng bá đa
broadcasting
phương tiện
Software Defined Radio
Vô tuyến định nghĩa bằng phần
mềm

Satellite-Independent
Vệ tinh độc lập
Satellite Independent - Service Điểm Truy cập Dịch vụ Vệ tinh
Access Point
độc lập
Satellite Radio Access Network Mạng Truy cập Vô tuyến vệ tinh
Space-time Coding
Mã hóa không-thời gian
Secondary User
Người dùng thứ cấp
Satellite component of the
Thành phần Vệ tinh của Hệ
Universal Mobile
thống Viễn thông Di động Toàn
Telecommunication System
cầu
Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời
gian


4

TVRO
UMTS
UWB
VCO

Television Receiver Only
Universal Mobile
Telecommunication System

Ultra-Wideband
Vol Cotrol OSC

VOD
VSAT

Video On Demand
Very Small Aperture Terminal

WRAN

Wireless Regional Areas
Network
Wireless World Research
Forum

WWRF

Truyền hình chỉ thu
Hệ thống viễn thông di động
toàn cầu
Băng siêu rộng
Bộ dao động điều khiển bằng
điện áp
Video theo yêu cầu
Trạm thông tin vệ tinh - mặt đất
cỡ nhỏ
Mạng không dây khu vực
Diễn đàn Nghiên cứu Thế giới
Không dây

5

DANH MỤC HÌNH VẼ


6

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Tóm tắc ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống đa truy nhập
khác nhau
Bảng 2.1 Các cấu trúc mạng cơ bản trong thông tin
Bảng 3.1: So sánh xu hướng Công nghệ lai ghép Vệ tinh - mặt đất qua
từng thời điểm


7

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự bùng nổ của công nghệ, điện thoại thông minh, mạng xã
hội, nhu cầu chia sẻ dữ liệu, hình ảnh, video… gia tăng nhanh chóng gây ra áp
lực rất lớn về lưu lượng trên các hệ thống truyền tải. Cùng với việc dải tần ngày
càng bị thu hẹp do nhiều dịch vụ mới được cấp phép dẫn đến yêu cầu phải tận
dụng tối đa tài nguyên phổ tần số. Hiện tại, các hệ thống thông tin vô tuyến được
áp dụng chính sách cấp phát tần số cố định. Theo đó, các ứng dụng khác nhau
được cấp phép với những dải tần số (băng thông) đã được hoạch định sẵn bởi cơ
quan quy hoạch phổ tần Quốc gia. Việc cấp phép dải tần cố định này đảm bảo
người dùng dịch vụ ở dải tần này không gây can nhiễu đến những người dùng ở
dải tần khác. Tuy có nhiều ưu điểm nhưng nhược điểm lớn nhất của phương

pháp cấp phát tần số cố định là không tận dụng được tối đa tài nguyên băng
thông. Theo Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kì – FCC hiệu suất sử dụng dải
tần số đã được cấp phép chỉ khoảng 15-85% trên phổ tần khả dụng. Điều này đặt
ra yêu cầu cấp thiết đó là phát triển một công nghệ vô tuyến mới có khả năng
nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, tránh lãng phí tài nguyên tần số.
Công nghệ Cognitive Radio (vô tuyến nhận thức) được phát triển để đáp
ứng nhu cầu trên. Hệ thống vô tuyến nhận thức bằng những kỹ thuật riêng của
mình sẽ khai thác các dải thông có thời điểm bị bỏ trống để cung cấp băng thông
cho các dịch vụ vô tuyến thông qua kiến trúc mạng tiên tiến, mềm dẻo và khả
năng truy cập phổ tần linh hoạt. Cùng với hệ thống lại ghép vệ tinh - mặt đất,
việc ngày càng sử dụng các thiết bị thông minh và tăng tải trên mạng mặt đất để
cung cấp các dịch vụ dữ liệu băng thông cao cùng với các dịch vụ thoại, các hệ
thống lai ghép vệ tinh - mặt đất có thể được sử dụng hiệu quả và nâng cao hiệu
suất sử dụng mạng thông tin vệ tinh để phục vụ cho nhu cầu càng ngày càng
tăng. Ngoài ra, các vấn đề trong việc phủ sóng ở mọi nơi, thậm chí ở các vùng
sâu vùng xa, với sự hoàn chỉnh các dịch vụ sẵn có ở khu vực thành thị, có thể có
xu hướng sử dụng các hệ thống lai ghép. Vì vậy, vô tuyến nhận thức hoạt động
trên nền hệ thống vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm, đặc biệt là khi tích


8

hợp với hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất, hứa hẹn là một trong những công
nghệ đầy triển vọng, phù hợp với tiến trình phát triển của các hệ thống thông tin
vô tuyến
Đồ án “Nghiên cứu kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép
giữa mạng thông tin vệ tinh và mạng mặt đất” với mục đích nghiên cứu tìm
hiểu ứng dụng của vô tuyến nhận thức trong các hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt
đất. Từ đó làm tiền đề phục vụ cho công tác sau này. Đồ án đước chia làm 3
chương:

Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh và kỹ thuật vô tuyến nhận thức
Chương 2: Hệ thống mạng mặt đất trong thông tin vệ tinh và tích hợp hệ
thống mặt đất – vệ tinh trong truyền thông đa phương tiện
Chương 3: Vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép giữa mạng thông tin
vệ tinh và mạng mặt đất


9

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH VÀ KỸ THUẬT
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh
Thông tin vệ tinh mới chỉ xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua nhưng đã
phát triển rất nhanh chóng trên thế giới cũng như trong nước ta, mở ra một thời
kỳ phát triển mới cho sự phát triển trong mội lĩnh vực khoa học - đời sống nói
chung và đặc biệt trong ngành viễn thông nói riêng. Sau đây, chúng ta cùng nhau
đi tìm hiểu về lịch sử phát triển, đặc diểm, cũng như cấu trúc tổng thể và nguyên
lý hoạt động của thông tin vệ tinh.
1.1.1 Sự ra đời của các hệ thống thông tin vệ tinh
Thông tin vô tuyến qua vệ tinh là thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực
truyền thông và mục tiêu của nó là gia tăng về mặt cự ly và dung lượng với chi
phí thấp, kết hợp sử dụng hai kĩ thuật tên lửa và vi ba đã mở ra kỷ nguyên thông
tin vệ tinh. Dịch vụ được cung cấp theo cách này bổ sung một cách hữu ich cho
các dich vụ mà trước đó độc nhất chỉ do các mạng ở dưới đất cung cấp, sử dụng
vô tuyến và cáp.
Kỉ nguyên vũ trụ được bắt đầu vào năm 1957 với việc phóng vệ tinh nhân
tao đầu tiên (vệ tinh Sputnik của Liên Xô cũ). Những năm tiếp theo các vệ tinh
khác cũng lần lượt được phóng như SCORE phát quảng bá (năm 1958), vệ tinh
phản xạ ECHO(1960), các vệ tinh chuyển tiếp băng rộng TELSTAR và RELAY
(1962) và vệ tinh địa tĩnh đầu tiên là SYNCOM (1963)

Trong năm 1965 vệ tinh địa tỉnh thương mại đầu tiên INTELSAT-1 đánh
đấu sự mở đầu cho hàng loạt các vệ tinh INTELSAT. Cùng năm đó, Liên Xô cũ
cũng đã phóng vệ tinh truyền thông đầu tiên trong loạt vệ tinh truyền thông
MOLNYA.

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


10


Hệ thống vệ tinh di động

Hình 1.1 Sự phát triển của vệ tinh di động.
Hình 1.1 thể hiện một số mốc quan trọng và các hệ thống vệ tinh di động
chính (MSSs) từ đó mà ra. Điều thú vị mà ta cần lưu ý, đó là INMARSAT bắt
đầu có mặt cùng khoảng thời gian với các nhà khai thác di động đầu tiên cung
cấp các dịch vụ tương tự thế hệ đầu. Trong giai đoạn đầu, INMARSAT cung cấp
các dịch vụ thoại và tốc độ dữ liệu thấp cho các thị trường hàng hải trên các tàu
lớn trong dải L sử dụng vệ tinh phủ sóng toàn cầu. Trong giai đoạn 1990-1991,
INMARSAT đã bổ sung các dịch vụ hàng không cho máy bay chở khách và một
số loại xe, với việc giới thiệu các vệ tinh có công suất cao hơn. Điều này đã
được thực hiện trong năm 1997-1998 với hoạt động trên toàn thế giới trong
MSSs và giới thiệu phân trang, chuyển hướng, tăng chỉ số cho máy tính đầu
cuối. INMARSAT đã tập trung vào việc sử dụng các vệ tinh địa tĩnh (GEO), và
vào giữa những năm 1990, một số hệ thống GEO khu vực nổi lên trong cạnh
tranh (ví dụ, OMNITRACS, EUTELTRACS, AMSC và OPTUS) tập trung vào
các phương tiện giao thông đường bộ và sử dụng cả hai băng L và Ku . Đây chỉ

11

là những thành công mang tính tương đối, trong khi INMARSAT đã xây dựng
được cơ sở khách hàng của mình lên khoảng 250.000. Nghiên cứu chính trong
những năm cuối thập niên 80 và đầu những năm 90 hướng tới các chòm sao tín
hiệu không phải là GEO, chủ yếu để tạo điều kiện cho liên kết ngân sách và
giảm sự chậm trễ cho các dịch vụ thoại tới các thiết bị đầu cuối cầm tay, điều
này cho thấy quỹ đạo thấp trái đất (LEO) và quỹ đạo thường (MEO) dựa trên
chòm sao tín hiệu từ 10-66 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu. Lúc này, IRIDIUM và
GLOBALSTAR đã bắt đầu triển khai dịch vụ, nhưng đã quá muộn để cạnh tranh
với sự lan rộng của GSM về phủ sóng mặt đất và về kinh doanh, thay vì các nền
công nghệ đã đi vào “Chương 11 của sự phá sản” vào đầu những năm 2000. Bài
học rút ra, đó là các chòm sao tín hiệu quá đắt, lên đến 10 tỷ USD để triển khai,
trừ khi thị trường có sự tăng trưởng ban đầu lớn để cung cấp khả năng hoàn vốn
nhanh. Cả hai hệ thống hiện nay đều đang tồn tại, nhưng ít khách hàng hơn dự
kiến. (Orbcomm, một nhà cung cấp chủ yếu các thiết bị đầu cuối cố định LEO,
cũng đã chịu số phận tương tự). ICO - hệ thống MEO được đề xuất, cũng đã
trình làng một vệ tinh trước khi nhận ra rằng việc kinh doanh này không thành
công.
Để giúp phát triển ngành công nghiệp vệ tinh di động trong tương lai, một
Tổ chức Hệ thống di động Vệ tinh Cao cấp Châu Âu (ASMS-TF) được thành lập
vào năm 2001, và ngày nay hoạt động trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển,
tiêu chuẩn và các vấn đề về quản lý [12].
Vào giữa những năm 1990, các siêu vệ tinh GEO lớn hơn được đề xuất
với công suất 5 kW và 100-200 điểm thay vì các thế hệ trước của GEO với công
suất 3-4 kW và 5-10 điểm. Một số hệ thống như vậy đã được đề xuất, nhưng một
trong những hệ thống đã thành công để bước vào thị trường vào đầu những năm
2000 là THURAYA, dựa trên tiêu chuẩn GMR-1 của Viện Tiêu chuẩn Viễn
thông châu Âu (ETSI), cung cấp các dịch vụ GSM và Gói Dịch vụ Tổng Đài vô
tuyến (GPRS) Châu Á và một phần của châu Âu.

12

Dù mới chỉ ở những ngày đầu tiên, những hệ thống siêu vệ tinh GEO này
dường như đã thành công khi tìm kiếm một vị trí thích hợp với thị trường khách
du lịch, xe tải và các khu vực mà di động mặt đất rất đắt tiền để triển khai. Trong
khi đó, INMARSAT đang cung cấp siêu vệ tinh GEO của riêng mình,
INMARSAT IV (lần đầu tiên ra mắt vào quý I năm 2005) để thực hiện các dịch
vụ số hiện có từ 64 đến 432 kb /; từ mạng diện rộng (GAN) đến Băng thông
rộng GAN (BGAN).
Mặc dù các nhà khai thác đã có bước di chuyển từ di động mặt đất sang
CDMA, INMARSAT đã tiếp tục phát triển hệ thống TDMA, nhưng cung cấp
các dịch vụ dựa trên gói 3G tương đương
Vì vậy, các bài học kinh nghiệm từ vệ tinh di động là:
• Các chòm sao quỹ đạo LEO và elip (HEO) được cho là quá đắt để cạnh
tranh với GEO hoặc các hệ thống di động, vì vậy thị trường đã quay lại với
GEO.
• Vệ tinh về phương diện kinh tế chỉ có thể cung cấp các dịch vụ thích hợp
cho các khu vực không thể tiếp cận với dịch vụ di động; do đó, đối với các dịch
vụ thị trường đại chúng cần phải có sự tích hợp, chứ không phải để cạnh tranh,
mà là để tích hợp với di động.
• Chọn dịch vụ phù hợp nhất với cơ cấu phân chia vệ tinh.
• Sử dụng thuộc tính phủ sóng rộng của vệ tinh.
Dựa vào các yếu tố trên, hệ thống Vô tuyến truyền hình số vệ tinh đa
phương tiện (S-DMB) đã được đề xuất trong các dự án của Liên minh Châu Âu
(EU) SATIN [10], MoDiS [13] và MAESTRO [14] để cung cấp các dịch vụ
MBMS cho người sử dụng trong vùng phủ sóng di động mặt đất cũng như bên
ngoài. Hệ thống S-DMB được đề xuất chủ yếu tập trung vào các dịch vụ phân
phối nội dung hoặc dịch vụ push type, nơi nội dung được đẩy tới các thiết bị đầu

cuối, bất cứ khi nào các tài nguyên có sẵn và được lưu trữ trong bộ nhớ cache
cục bộ để phục hồi sau này. Cấu trúc được đặc trưng bởi các bộ đệm khe hở
hoặc bộ lặp mô đun trung gian (IMR) nằm ở các trạm cơ sở 3G chỉ định, phát tín


13

hiệu MBMS trên đất liền trong dải MSS liền kề, để cho phép thâm nhập vào khu
vực đô thị và đô thị.
Một khái niệm tương tự đã được thông qua trong hệ thống MBSAT [15]
hiện đang hoạt động tại Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi mà xu hướng dịch vụ là
truyền hình di động hơn là nội dung video. Các hệ thống này có sự cạnh tranh từ
MBMS trong 3G và từ DVB-H, nhưng cung cấp một thị trường với cơ hội thực
sự mới cho vệ tinh, và quan trọng nhất là việc phân phối hệ thống chuẩn đầu
tiên.
Các hệ thống DAB thông qua vệ tinh S-DAB (DARS ở Hoa Kỳ) cũng nên
được đề cập trong bối cảnh này, vì truyền thanh vô tuyến là một ví dụ khác về
phân chia nội dung. Ý tưởng này được nảy ra khoảng từ năm 1990, khi CD radio
đầu tiên được trình lên tại Hoa Kỳ. Một số hệ thống đã được đề xuất bởi các tiêu
chuẩn S-DAB được sản xuất với WORLDSPACE [16] vào giữa những năm
1990, có lẽ là đối thủ hàng đầu với vệ tinh của nó bao gồm Châu Á, Caribê và
Châu Mỹ.
Dịch vụ phát thanh quảng bá số mặt đất T-DAB đã không được lan rộng,
với mạng lưới U.K. giới hạn có thể được phát triển tốt nhất. Tại Hoa Kỳ, vào
đầu những năm 2000, hai hệ thống thương mại bắt đầu hoạt động: Đài XM sử
dụng vệ tinh GEO, và vệ tinh vô tuyến SIRIUS sử dụng vệ tinh HEO. Cả hai hệ
thống đều bổ sung khoảng cách mặt đất theo cách tương tự với hệ thống được đề
xuất bởi SDMB và MBSAT. Việc sử dụng các vệ tinh HEO rất thú vị, vì chúng
được phủ sóng tốt hơn ở khu vực đô thị do góc độ cao hơn và giảm số lượng các
khoảng trống cần thiết. Hiện tại XM có khoảng 3,5 triệu khách hàng, còn

SIRIUS có 1,5 triệu khách hàng tại Hoa Kỳ.
Khi chúng ta xem xét băng rộng di động trong vệ tinh, thị trường chính
dành cho phương tiện chở khách (máy bay [17], tàu thủy và tàu hỏa) ngoại trừ
hệ thống INMARSAT BGAN, nơi có nhiều khách hàng hơn có thể sử dụng dịch
vụ băng thông. Dịch vụ Connexions của Boeing (CBB) [18] bắt đầu khai thác
các đường truyền băng thông với máy bay vào năm 2002 và hiện đang theo đuổi


14

các thị trường khai thác hàng hải. Công nghệ ở đây tương tự như mô hình cực
nhỏ (VSAT) với sự phân bố trong phương tiện. CBB đã lắp đặt đầu cuối với một
số hãng hàng không. Các hệ thống VSAT đã bắt đầu hoạt động kinh doanh dầu
ngoài khơi nhưng nhanh chóng mở rộng sang các tàu du lịch biển và các nhà
khai thác lòng biển, sử dụng băng tần Ku và cung cấp các dịch vụ thương mại,
kỹ thuật và điều hướng cho hành khách và phi hành đoàn. Một số nhà khai thác
vệ tinh thực hiện các dịch vụ như vậy. Sự mở rộng cũng có thể được thực hiện
đối với phương tiện giao thông đường bộ, và các dự án về chương trình khung
của EU 6 (FP6) DRIVE / OVERDRIVE [19] và FIFTH [20] đã nghiên cứu thị
trường xe lửa / xe tải / xe hơi.
Các chương trình băng rộng nói chung vẫn còn bị ảnh hưởng từ hiệu quả
sử dụng khả năng vệ tinh kém, gây ra tốn kém. Một giải pháp cho điều này nằm
xung quanh việc giới thiệu tiêu chuẩn DVB-S2 mới vào năm 2003 [21]. Về cơ
bản là nhằm vào các hệ thống cố định, kết hợp các chương trình mã hoá và điều
chế thích ứng (ACM), khi hoạt động kết nối với kênh vệ tinh phát đáp (RCS),
cho phép tối ưu hóa các thông số truyền cho mỗi kết nối riêng lẻ phụ thuộc vào
điều kiện đường dẫn. Một loạt các chương trình điều chế khóa chuyển pha PSK
và PSK thích ứng (APSK) và mã LDPC cung cấp tối ưu hóa gói theo gói để đáp
ứng khi gặp phải các điều kiện kênh thay đổi bất lợi. Tiêu chuẩn mới cho phép
một loạt các đầu vào dữ liệu bao gồm cả IP. Kết hợp sơ đồ ACM DVB-S2 với

các vệ tinh đa băng Ka và link hồi đáp DVB-RCS, công suất vệ tinh hiện tại có
thể tăng thêm 10 lần hoặc nhiều hơn. Bước tiếp theo là giới thiệu tính di động
vào tiêu chuẩn, sau đó sẽ cho phép sử dụng cho kết nối băng thông đa phương
tiện di động như đã đề cập ở trên.


Hệ thống vệ tinh cố định
Các hệ thống vệ tinh cố định vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng
trong mạng lõi, mà trên cơ sở điểm – điểm vẫn có thể cạnh tranh với các liên kết
mặt đất ở một số khu vực có phủ sóng và giảm cơ sở hạ tầng là những lợi thế.
Các nhà khai thác vệ tinh quốc tế lớn như INTELSAT, SES GLOBAL, và


15

EUTELSAT vẫn là những doanh nghiệp hoạt động hiệu quả. Điều thú vị cần lưu
ý là các mô hình kinh doanh của họ đã phát triển; họ đã chuyển từ trạng thái
IGO sang các công ty tư nhân. Họ đã chuyển từ bán băng thông sang bán các kết
nối dịch vụ - từ megahertz đến megabit mỗi giây - và bây giờ họ có tài sản gồm
cơ sở hạ tầng cũng như các vệ tinh. Ngành công nghiệp đã phát triển rất vừa
phải, và phần lớn các vệ tinh vẫn là loại phát đáp trong suốt hoạt động ở các
băng tần C, Ku và Ka, nhưng với các chùm tia ngày càng phức tạp. Ống kỹ thuật
số vẫn là thành công lớn sử dụng truy cập đa tần số (FDMA), với TDMA và
chuyển mạch kênh TDMA (SS-TDMA) nhưng chưa thực sự bắt kịp. Vệ tinh vẫn
giữ được thể loại rõ ràng, trừ một số vệ tinh quảng bá truyền hình kỹ thuật số đã
chấp nhận chuyển mạch onboard giới hạn. Quá trình xử lý toàn bộ trên bo mạch
đã được xem là quá rủi ro do thiếu tính linh hoạt của phân bổ kênh và tốc độ bit.
Mặt khác, lưu lượng truy cập đã thay đổi, với IP bây giờ là một tỷ lệ phần trăm
lớn của toàn bộ thông qua các ISP. Vệ tinh vẫn giữ được công suất từ thấp đến
trung bình, điều đó có nghĩa là hiệu quả sử dụng phổ tần vô tuyến vẫn thấp so

với các hệ thống mặt đất. Như với di động, chúng ta đã thấy các vệ tinh cố định
phát triển riêng biệt với mặt đất trong cả hai tiêu chuẩn và các nhà khai thác nếu
không có sự cung cấp tích hợp.
Sự thành công của các tiêu chuẩn DVB-S / S2 ở châu Âu cũng đã dẫn tới
các hệ thống hai chiều kết hợp VSATs với hệ thống RC hay băng Ku hoặc Ka.
Đây được coi là những cách khác để cung cấp các dịch vụ IP và kết hợp các
mạng lưới. Tuy nhiên, hiệu quả của việc phân phối IP vẫn còn thấp so với mặt
đất, nơi DSL không đối xứng (ADSL) vẫn chiếm ưu thế ở các nước phát triển.
Mạng VSAT ở Châu Âu chưa thực sự cất cánh như mong đợi và chưa đạt
được quy mô hoặc khối lượng của các đối tác Hoa Kỳ; chi phí và hiệu quả là
những lý do chính.
Vùng cuối cùng của việc sử dụng các vệ tinh cố định là trong truy cập
băng rộng, nơi phạm vi phu sóng và tốc độ thực hiện đã được khỏa lấp. Các khu
vực nông thôn và ngoại thành trên khắp châu Âu và đặc biệt ở Đông Âu là


16

những vùng mà các thiết bị đầu cuối vệ tinh đã được triển khai rộng rãi cho đến
thời điểm này. Tuy nhiên, khi ADSL được triển khai dần dần ở các quốc gia phát
triển hơn, chi phí lớn hơn cho vệ tinh không thể cạnh tranh được. Có nhiều thảo
luận về khoảng cách kỹ thuật số (hay khoảng cách thiếu thốn), và không còn
nghi ngờ gì về việc các khu vực rộng lớn của châu Âu sẽ không được phủ sóng
bởi các hệ thống mặt đất rẻ hơn. Tuy nhiên, nó sẽ có ý nghĩa chính trị để giải
quyết vấn đề này bằng cách sử dụng vệ tinh, vì rất khó để xem làm thế nào chỉ
với kinh tế thuần túy, sẽ có thể hỗ trợ chuyển giao vệ tinh.

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống tích hợp khả thi
Vì vậy, thông điệp dành cho các hệ thống vệ tinh cố định trong tương lai
là:

• Tích hợp nhiều hơn với các hệ thống mặt đất, vì vệ tinh không thể cạnh
tranh ở các khu vực đô thị / ngoại thành, nhưng hiệu quả hơn ở các vùng nông
thôn.
Thông qua các tiêu chuẩn tương thích sẽ cho phép các thiết bị rẻ hơn và
cung cấp linh hoạt.


17

• Tăng hiệu quả hệ thống. Để giảm chi phí cho mỗi bit với các vệ tinh có
công suất hạn chế, họ phải ứng dụng công nghệ tiên tiến trước các hệ thống mặt
đất để đạt được hiệu quả cần thiết từ 50-100%.
• Cần xử lý oanboard linh hoạt với số lượng chùm liên kết lớn, nghĩa là
xoay quanh băng tần Ka và cao hơn. Xử lý onboard phải cho phép các kênh
băng thông biến đổi được sử dụng dịch vụ linh hoạt.
• Quy mô hệ thống của các vệ tinh nên nhỏ hơn và công suất cao hơn, để
tránh những chi phí rất cao lên hệ thống. Các vệ tinh như vậy có thể kết nối với
quỹ đạo, và mở rộng và định hình lại khi nhu cầu tăng lên.
1.1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh
Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưng được phát triển nhanh chóng,
bởi nó có nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác, đó là:




Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu.
Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ.
Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đất tương
đối nhanh chóng, không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thống truyền



dẫn.
Hệ thống thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau như viễn
thông thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu,



nghiên cứu khí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh…
Thông tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất mạnh
làm cho các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhất thông





tin vệ tinh hoạt động.
Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung cấp
điện hầu như ngày lẫn đêm.
Tuy vậy thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm đó là:
Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn.
 Bức xạ của sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn trong môi
trường truyền sóng.
1.1.4 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Quỹ đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong không gian mà trong
đó vệ tinh được cân bằng bởi hai lực đối nhau. Hai lực đó là lực hấp dẫn của trái


18

đất và lực ly tâm được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh. Quỹ đạo vệ
tinh có 3 thông số quan trọng đó là: khoảng cách từ vệ tinh đến mặt đất, hình
dạng và góc nghiêng so với mặt bình độ. Một thông số chung của nó là mặt
phẳng chuyển động của vệ tinh phải đi qua tâm trái đất. quỹ đạo của vệ tinh nằm
trên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc hình elip. Nếu quỹ đạo là hình tròn
thì tâm của quỹ đạo tròn trùng với tâm của trái đất.

Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Nếu quỹ đạo là hình elip thì có một đầu nằm xa trái đất nhất gọi là viễn điểm
(apogee) và đầu gần trái đất nhất gọi là cận điểm (perigee )
Quỹ đạo thông dụng hiện nay của vệ tinh là những dạng quỹ đạo sau đây
a)

Các quỹ đạo hình elip:
Loại quỹ đạo này đảm bảo phủ sóng các vùng vĩ độ cao dưới một góc

ngẩng lớn. góc ngẩng lớn là đặc biệt cần thiết trong những ứng dụng như
-

Giảm thiểu việc chặn các tia do sự che khuất vệ tinh của các cao ốc và cây cối
Việc bám vệ tinh được dễ dàng hơn.
Giảm bớt được tạp âm mà anten trạm mặt đất thu nhận do can nhiễu từ các hệ
thống thông tin vô tuyến dưới mắt đất.
b) Các quỹ đạo tròn:


19


Quỹ đạo cực.

Vệ tinh có quỹ đạo tròn và có độ cao khoảng vài trăm đến vài nghìn km
với mặt phẳng quỹ đạo chứa trục quay của trái đất, loại quỹ đạo này đảm bảo
rằng vệ tinh có thể đi qua các vùng của trái đất. người sữ dụng loại quỹ đạo này
cho các vệ tinh quan sát (observation satellite) như vệ tinh SPOT và phủ sóng
toàn cầu như chùm vệ tinh IRIDUM (gồm 77 vệ tinh).


Quỹ đạo nghiêng

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

Quỹ đạo xích đạo.

Quỹ đạo này nằm trong mặt phẳng xích đạo của trái đất và các vệ tinh trên
quỹ đạo này được gọi là vệ tinh địa tĩnh (GEO- geostationary satellite). Độ cao
quỹ đạo là 35768km. vệ tinh trong trường hợp này xuất hiện như một điểm cố
định trên bầu trời với vùng phủ sóng của vệ tinh là 43% diện tích của bề mặt trái
đất. ba vệ tinh vệ tĩnh trong trường hợp này có thể phủ sóng toàn cầu.
Việc lựa chọn quỹ đạo nào trong thực tế còn phụ thuộc vào các ứng dụng
cụ thể, độ can nhiễu mà hệ thống có thể chấp nhận được.
Để vệ tinh có thể giữ nguyên vị trí của mình trong quỹ đạo đã được xác
định, người ta sử dụng một trong hai kĩ thuật ổn định đó là ổn định quay hoặc ổn
định ba trục.
1.1.5 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh.
Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh gồm hai phần: phân đoạn vũ

trụ (space segment) và phân đoạn mặt đất (ground segment). Hình 1.2 mô tả cấu
trúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh.


Phân đoạn vũ trụ

Phân đoạn vũ trụ bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị đặt trong vệ tinh và hệ
thống các trang thiết bị đặt trên mặt đất để kiểm tra, theo dõi và điều khiển vệ


20

tinh (các hệ thống bám, đo đạc và điều khiển). Bản thân vệ tinh bao gồm phần
tải (payload) và phần nền (platform). Phần tải bao gồm các anten thu/phát và tất
cả các thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn các sóng mang. Phần nền bao
gồm tất cả các hệ thống phục vụ cho phần tải hoạt động. ví dụ như: cấu trúc vỏ
và khung, nguồn cung cấp điện, điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng và quỹ
đạo, thiết bị đẩy, bám, đo đạc .

Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh
Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là
tuyến lên (uplink). Vệ tinh lại truyền các sóng vô tuyến sau khi đã biến đổi tần
số và khuếch đại tới các trạm thu vệ tinh đặt trên mặt đất và được gọi là tuyến
xuống (downlink).
Chất lượng của một liên lạc qua sóng vô tuyến đó được xác định bởi
thông số sóng mang trên tạp âm (C/N). Chất lượng của tổng thể tuyến liên lạc từ
trạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác được quyết định bởi chất lượng của


21

tuyến lên và tuyến xuống trong đó bao gồm cả kĩ thuật điều chế và mã hóa được
sữ dụng.
Trong mỗi vệ tinh được đặt một số bộ phát đáp (transponder) để thu tín
hiệu từ tuyến lên, biến đổi tần số, khuếch đại công suất và truyền trở lại trên
tuyến xuống.

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

Phân đoạn mặt đất

Phân đoạn mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất và chúng thường được
nối với các thiết bị của người sử dụng thông qua các mạng mặt đất hoặc trong
trường hợp sử dụng trạm VSAT ( Very Small Aperture Terminal ) thì có thể liên
lạc trực tiếp tới thiết bị đầu cuối của người người sử dụng. Các trạm mặt đất
được phân loại tùy thuộc vào kích cỡ trạm và loại hình thông tin được truyền
cũng như xử lý ( thoại, hình ảnh hoặc dữ liệu). Có thể có các trạm mặt đất vừa
thu vừa phát nhưng cũng có trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu ( trạm TVRO –
Television Receiver Only). Các trạm mặt đất lớn được trang bị anten có đường
kính 30m – 40m, trong khi đó các trạm mặt loại nhỏ chỉ dùng anten đường kính
60cm hoặc thậm chí có thể nhỏ hơn (các trạm di động, các máy cầm tay) . Hình
1.4 mô tả một mặt đất đơn giản bao gồm cả thu và phát.
Đối với một trạm mặt đất cỡ lớn, do độ rộng của búp sóng chính của anten
rất hẹp cho nên trạm mặt đất phải cần phải có các thiết bị bám vệ tinh để đảm


22

bảo chất lượng đường truyền (trục anten hướng đúng vệ tinh). Với các trạm mặt

đất cỡ nhỏ do độ búp sóng của anten khá lớn cho nên trong trường hợp này
không cần thiết phải có các thiết bị bám sát vệ tinh.

Hình 1.6: Cấu hình của một trạm mặt đất
Trong thực tế một bộ phát đáp của vệ tinh có thể phục vụ cùng một
lúc nhiều trạm mặt đất khác nhau. Đó là nhờ vào phương pháp đa truy nhập. kĩ
thuật mà trạm mặt đất dùng để truy nhập bộ phát đáp vệ tinh đó là FDMA,
TDMA, CDMA.
1.1.6 Đa truy nhập
Trong các hệ thống thông tin vệ tinh kĩ thuật đa truy nhập là một phương
pháp để cho nhiều trạm sử dụng chung một bộ phát đáp. Hiện nay có 3 phương
pháp chính được dùng đó là:


Đa truy nhập phân chia theo tần số ( FDMA – Frequency Division Multiple
Access).
Phương pháp này được sử dụng rộng rãi nhất. Với hệ thống này, mỗi trạm
mặt đất phát một sóng mang có tần số sóng mang khác với tần số sóng mang của


23

các trạm khác. Mỗi sóng mang được phân cách với sóng mang khác bằng những
băng tần bảo vệ thích hợp, sao cho chúng không chồng lấn lên nhau ( hinh 1.5)

Hình 1.7: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)
FDMA có thể được sử dụng cho bất kì hệ thống điều chế nào: điều chế
tương tự hoặc điều chế số. Một trạm mặt đất thu chọn lựa các tín hiệu nó cần
thông tin bằng một bộ lọc băng thông.
Phương pháp này cho phép tất cả các trạm truyền dẫn liên tục, nó có ưu

điểm không cần thiết điều khiển định thời đồng bộ và thiết bị sử dụng khá đơn
giản, hiệu quả sử dụng công suất vệ tinh của nó cũng không thấp. Tuy nhiên
phương pháp này thiếu linh hoạt trong việc thay đổi cách phân bố kênh.


Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA – Time Division Multiple
Access)
Là hệ thống trong đó các trạm mặt đất dùng chung một bộ phát đáp trên
cơ sở phân chia theo thời gian. Để làm được điều này cần sử dụng một sóng
mang điều chế số. Hệ thống TDMA thường định ra một khung trong miền thời
gian gọi là khung TDMA: khung này được phân chia ra và mỗi một khoảng chia
được phân cho từng trạm.
Mỗi một trạm phát sóng mang của nó trong một khoảng thời gian ngắn đã
được phân (khe thời gian) trong khung thời gian. Cần để ra một khoảng thời
gian trống ( thời gian bảo vệ) giữa 2 khe thời gian cạnh nhau sao cho các sóng
mang phát từ nhiều trạm không chồng lên nhau trong bộ phát đáp (hình 1.6)


24

Hình 1.8: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)
Mỗi trạm thu sẽ tách ra những phần sóng mang của chính nó dựa trên cơ
sở phân chia theo thời gian trong nhưng tín hiệu nhận được. Hệ thông TDMA có
thể sử dụng tốt nhất công suất vệ tinh và có thể dể dàng thay đổi được dung
lượng truyền tải nên hệ thống này có ưu điểm là linh hoạt trong việc chấp nhận
thay đổi trong thiết lập tuyến.


Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA – Code Division Multiple Access)
Với đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA ) các trạm của mạng phát

liên tục và cùng phát trên một băng tần như nhau của kênh. Nhưng các sóng
mang này trước đó đã được điều chế bằng một mẫu bit đặc biệt quy định cho
mỗi trạm mặt đất trước khi phát tín hiệu điều chế. Do đó ở loại đa truy nhập này
ngay cả khi có nhiều tín hiệu điều chế được đưa vào bộ phát đáp, thì trạm mặt
đất thu có thể tách tín hiệu từ các tín hiệu khác bằng cách sử dụng một mẫu bít
đặc biệt để thực hiện quá trình giải điều chế.
Các tín hiệu từ tất cả các trạm đều có cùng một vị trí trong bộ phát đáp cả
về thời gian lẫn tần số. Ở phía thu thực hiện quá trình trải phổ ngược sử dụng mã
giống như mã trải phổ sử dụng ở phía phát và lấy ra tín hiệu ban đầu. Điều này
cho phép chỉ thu các tín hiệu mong muốn ngay cả khi các sóng mang trải phổ
với các mã khác đến cung thời gian (hình 1.7)


25

Hình 1.9: Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA )
Ưu điểm của hệ thống CDMA là hoạt động đơn giản, do nó không đòi hỏi
bất kì sự đồng bộ truyền dẫn nào giữa các trạm. Đồng bộ duy nhất là đồng bộ
của máy thu với chuổi của sóng mang thu được. Kĩ thuật này đạt hiệu quả trong
việc chống lại sự can nhiễu từ hệ thống khác và can nhiễu do hiện tượng đa
đường truyền. Nhược điểm là hiệu suất thấp.
Ngoài ra còn có thể sử dụng một trong các kĩ thuật như: Chế độ đa truy nhập
gán cố định, chế độ đa truy nhập gán theo nhu cầu, đa truy nhập phân chia theo
thời gian chuyển mạch vệ tinh. Với đa truy nhập gán cố định, các kênh vệ tinh
được phân bố cố định cho tất cả các trạm mặt đất khác nhau, bất chấp có hay
không có các cuộc gọi phát đi, còn đa truy nhập gán theo nhu cầu thì các kênh
vệ tinh được sắp xếp lại mỗi khi có yêu cầu thiết lập kênh từ các trạm mặt đất có
liên quan. Với các vệ tinh SS-TDMA các anten chùn hẹp khác nhau được
chuyển mạch tại thời điểm thích ứng trong chu kì khung TDMA để hướng các
chùm phát và thu theo hướng mong muốn.

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

Ưu điểm

Nhược điểm

Nhận xét