Nghiên cứu cơ chế truyền thông và xây dựng công cụ phân tích, xử lý số liệu internet trên thông tin trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (8.54 MB, 95 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
PHAN TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG
CỤ PHÂN TÍCH, XỬ LÝ SỐ LIỆU INTERNET TRÊN THÔNG TIN
LIÊN LẠC VỆ TINH ĐỊA TĨNH
LUẬN VĂN THẠC SĨ: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Hà Nội - 2012
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NÔI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
PHAN TUẤN ANH
NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ TRUYỀN THÔNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG
CỤ PHÂN TÍCH, XỬ LÝ SỐ LIỆU INTERNET TRÊN THÔNG TIN
LIÊN LẠC VỆ TINH ĐỊA TĨNH
Ngành: Công nghệ thông tin
Chuyên ngành: Truyền dữ liệu và mạng máy tính
Mã số: 60 48 15
LUẬN VĂN THẠC SĨ: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Văn Tam
Hà Nội - 2012
-1MỤC LỤC
Lời cam đoan ..................................................................................................................
Lời cảm ơn ......................................................................................................................
Danh mục thuật ngữ viết tắt .........................................................................................
Danh mục hình vẽ ..........................................................................................................
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................
Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN LIÊN LẠC VỆ TINH ĐỊA TĨNH ...
1.1. Giới thiệu chung về TTLL vệ tinh địa tĩnh .................................................
1.1.1. Đặc điểm thông tin vệ tinh địa tĩnh .......................................................
1.1.2. Cấu trúc tổng quát hệ thống truyền tin vệ tinh .....................................
1.1.3. Nguyên lý thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh .........................................
1.1.4. Phân bố tần số cho các hệ thống TTLLVT ...........................................
1.2. Truyền tín hiệu số trên kênh truyền vệ tinh ..................................................
1.2.1. Kênh truyền thông tin vệ tinh .................................................................
1.2.1.1. Mô hình kênh truyền ...........................................................................
1.2.1.2. Đặc tính kỹ thuật kênh truyền .............................................................
1.2.2. Truyền tín hiệu số ....................................................................................
1.2.3. Ghép kênh TDM ......................................................................................
1.2.3.1. Ghép kênh TDM đồng bộ ....................................................................
1.2.3.2. Khung (Frames) ..................................................................................
1.2.3.3. Kỹ thuật chuyển dịch luân phiên (Interleaving) .................................
1.2.3.4. Bit đồng bộ khung (Framing bits) ......................................................
1.2.3.5. Ghép kênh phân thời không đồng bộ ..................................................
1.2.3.6. Ghép kênh đảo (Invert Multiplexing) .................................................
1.2.4. Mã hóa kênh truyền ................................................................................
1.2.4.1. Tổng quan ...........................................................................................
1.2.4.2. Mã xoắn (Convulotion Code) .............................................................
1.2.4.3. Mã khối ...............................................................................................
1.2.4.4. Mã Reed-Solomon ...............................................................................
1.2.5. Điều chế số ...............................................................................................
1.2.5.1. Tổng quan ...........................................................................................
1.2.5.2. Điều chế pha hai mức (BPSK) ............................................................
1.2.5.3. Điều chế pha bốn mức (QPSK) ..........................................................
1.2.5.4. Điều chế pha 8 mức (8-PSK) ..............................................................
1.2.5.5. Điều chế biên độ cầu phương, QAM 16 .............................................
Chƣơng 2. ĐA TRUY NHẬP TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH .....
2.1 Tổng quan ..........................................................................................................
-22.2 Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) .................................................
2.2.1 Tổng quan .................................................................................................
2.2.2. Các mô hình truyền tín hiệu của đa truy nhập FDMA .........................
2.2.3. Nhận xét chung .......................................................................................
2.3 Đa truy nhập phân chia theo thời gian ...........................................................
2.3.1 Tổng quan .................................................................................................
2.3.2. Tạo lập burst ............................................................................................
2.3.3. Cấu trúc khung ........................................................................................
2.3.4. Thu burst ..................................................................................................
2.3.5. Đồng bộ hệ thống thông tin vệ tinh TDMA ...........................................
2.3.6. Nhận xét chung .......................................................................................
2.4. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) ....................................................
2.4.1. Tổng quan ................................................................................................
2.4.2. Kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp (DS-CDMA) ..........................................
2.4.3. Kỹ thuật trải phổ nhảy tần (FH-CDMA) ................................................
2.4.4. Tạo mã trong đa truy nhập CDMA .........................................................
2.4.5. Đồng bộ trong đa truy nhập CDMA .......................................................
2.4.6. Nhận xét chung về đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) .............
Chƣơng 3. CHƢƠNG TRÌNH ỨNG DỤNG .............................................................
3.1. Phân tích cấu trúc dữ liệu Internet trên thông tin liên lạc vệ tinh ...........
3.1.1. Đặc thù của số liệu đăng ký được từ thông tin liên lạc vệ tinh ............
3.1.2. Tổng quan về mô hình truyền dữ liệu trên Internet .............................
3.1.3. Chức năng và cấu trúc giao thức truyền của mô hình TCP/IP ...........
3.1.3.1. Tầng giao tiếp mạng (Network access Layer) ...................................
3.1.3.1.2. Chuẩn HDLC (Hyper Data Link Control) ..................................
3.1.3.1.3. Chuẩn PPP (Point To Point) .......................................................
3.1.3.2. Tầng mạng (Network Layer) ..............................................................
3.1.3.2.1. Giới thiệu chung về IP ................................................................
3.1.3.2.2. Cấu trúc giao thức IPv4 ..............................................................
3.1.3.3. Tầng giao vận (Transport Layer) ......................................................
3.1.3.3.1. Cấu trúc giao thức TCP ..............................................................
3.1.3.3.2. Cấu trúc giao thức UDP ..............................................................
3.1.3.4. Tầng ứng dụng (Application Layer) ..................................................
3.2. Chƣơng trình ứng dụng ................................................................................
-33.2.1. Yêu cầu chương trình ............................................................................
3.2.2. Quy trình của ứng dụng .........................................................................
3.2.3. Giao diện chính của chương trình ........................................................
3.2.4. Kết quả thử nghiệm ................................................................................
KẾT LUẬN ..................................................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................
PHỤ LỤC .....................................................................................................................
-6-
Chữ viết
tắt
A/D
An
BER
Bi
BPSK
Bi
BPF
Ba
C/N
Ca
CDMA
Co
DEMUX
De
FDMA
Fr
Ac
FM
Fr
GSM
Gl
Co
HDLC
Hy
IF
In
LNA
Lo
MUX
M
NRZ
No
PCM
Pu
PSK
Ph
PPP
Po
QAM
QPSK
Qu
M
Qu
-7-
RF
Tần số vô tuyến
RS
Mã Reed-Solomon
SCPC
Một kênh đơn trên một sóng
mang
TCP
Giao thức TCP
TCP/IP
Mô hình TCP/IP
TDM
Ghép kênh phân chia theo
thời gian
TDMA
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian
UDP
UHF
UW
VHF
VSAT
8PSK
Giao thức UDP
Tần số cực cao
Từ duy nhất
Tần số rất cao
Đầu cuối có độ mở rất
nhỏ Điều chế pha 8 mức
-8Hình
Danh mục hình vẽ
Nội dung
Trang
1-1
14
1-2
16
1-3
17
1-4
18
1-5
20
1-6.a, b
20, 21
1-7
21
1-8
1-9
1-10
1-11
1-12
1-13
1-14
1-15
1-16
1-17
1-18
1-19
1-20
1-21
1-22a,b, c Đồ thị chòm sao - Điều chế - Giải điều chế tín hiệu BPSK
22
22
23
23
24
24
25
27
27
29
29
30
31
31
32
-9-
1-23
Điều chế, giải điều chế BPSK với tín hiệu thực
32
1-24a,b
Sơ đồ khối chức năng bộ phát, bộ thu điều chế QPSK
33, 34
1-25
Điều chế, giải điều chế QPSK với tín hiệu thực
34
126a,b,c
Sơ đồ khối bộ phát, phân bố tín hiệu, bộ thu điều chế 8PSK
34, 35,
36
Điều chế, giải điều chế 8PSK với tín hiệu thực
36
Sơ đồ khối bộ điều chế, bộ giải điều chế QAM
37
1-27
1-28a,b
1-29
2-1
2-2
2-3
2-4
2-5
2-6
2-7
2-8
2-9
2-10
2-11
2-12
2-13
3-1
Giản đồ pha, điều chế (giải điều chế) QAM16 với tín hiệu 38
thực
Đa truy nhập phân chia theo tần số
39
Mô hình đa truy nhập phân chia theo tần số
40
Mô hình thác nước với các tín hiệu thực vệ tinh
40
Mô tả các dạng truyền theo đa truy nhập phân chia theo 41
tần số từ các trạm mặt đất đến vệ tinh
Mô tả hoạt động của một mạng TTVT hoạt động theo 43
nguyên lý TDMA
Khung đa truy nhập phân chia theo thời gian( TDMA)
44
Mô hình thác nước với các tín hiệu thực vệ tinh
44
(TDMA) Mô tả quá trình tạo lập burst
44
Mô tả nguyên lý hoạt động hệ thống DS-CDMA trong 47
thông tin vệ tinh
Mô tả sơ đồ nguyên lý hoạt động của một hệ thống truyền
dẫn và đa truy nhập phân chia theo mã, ứng dụng kỹ thuật 48
nhảy tần (FH-CDMA)
Mô tả nguyên lý tạo chuỗi mã giả ngẫu nhiên
48
Mô tả nguyên lý thu nhận chuỗi mã trong hệ thống DSCDMA
Nguyên lý hoạt động của quá trình bám mã
Số liệu trung thực đăng ký từ thông tin liên lạc vệ tinh(chu
49
50
51
-10kỳ 256 bit)
3-2
Ví dụ về sự nhồi và gỡ nhồi bit
52
3-3
Mô hình các lớp của TCP/IP và mô hình
52
3-4
OSI Bộ giao thức trong mô hình TCP/IP
53
3-5
Cấu trúc khung HDLC của OSI
54
3-6
Cấu trúc khung HDLC của
56
3-7
Cisco Cấu trúc khung PPP
57
3-8
Số liệu phân tích thực tế cấu trúc chuẩn
58
3-9
PPP Cấu trúc khung Ethernet II
58
3-10
Phân tích số liệu thực khung Ethernet II
59
3-11
Cấu trúc khung Ethernet II trong khung HDLC
59
Phân tích số liệu thực khung Ethernet II trong khung
HDLC
Cấu hình mạng Frame Relay
60
61
3-15
Luồng số Frame Relay thực đăng ký được trên TTLL vệ
tinh
Cắt luồng số liệu theo cờ 7E (dạng
3-16
hexa) Kết quả thực hiện xóa bit nhồi
62
3-17
Kết quả phân tích xác định giá trị trong
63
3-18
khung Cấu trúc header của Ipv4
68
3-19
Cấu trúc header của giao thức TCP
70
72
3-21
Phân tích, xác định dịch vụ mail (POP3) của tầng ứng
dụng
Cấu trúc header của giao thức UDP
3-22
Cấu trúc header của giao thức RTP
73
3-12
3-13
3-14
3-20
3-23
3-24
Phân tích số liệu thực tế chuẩn thoại G.729 trong giao
thức
RTP
Mô hình thu, phân tích và xử lý số liệu Internet vệ tinh
60
61
72
73
74
-113-25
Lưu đồ thuật toán phân tích số liệu Internet vệ tinh
3-26
Lưu đồ thuật toán xử lý số liệu Internet vệ tinh
3-27
3-28
Lưu đồ thuật toán xử lý số liệu Internet vệ tinh với dạng
HTTP
Giao diện phân tích, xử lý của chương trình ứng dụng
4-1
Phân tích số liệu với giao thức truyền HDLC
4-2
Phân tích số liệu với giao thức truyền PPP
4-3
Phân tích số liệu với giao thức truyền ETHERNET
4-4
4-7
Phân tích số liệu kênh số 11 dạng truyền FrameRelay đa
khung
Phân tích số liệu kênh số 07 dạng truyền FrameRelay đa
khung
Phân tích số liệu kênh số 07 dạng truyền FrameRelay đơn
khung
Kết quả xử lý số liệu giao thức truyền HDLC
4-8
Kết quả xử lý số liệu giao thức truyền PPP
4-9
Kết quả xử lý số liệu giao thức truyền ETHERNET
4-10
Kết quả xử lý số liệu giao thức truyền FrameRelay
4-11
Xử lý được dịch vụ email (POP3, SMTP, IMAP, Lotus…)
4-12
Xử lý được bản ảnh (*.jpg, *.gif, *.bmp, *.png, …)
4-13
Xử lý ra được dịch vụ thoại (*.g729)
4-5
4-6
-12MỞ ĐẦU
Các hệ thống thông tin vệ tinh được phát triển nhanh chóng trong những thập
kỷ gần đây. Qua các hệ thống thông tin vệ tinh, con người có thể thu nhận hoặc trao
đổi thông tin với bất kỳ nơi nào trên quả đất. Thông tin vệ tinh có khả năng đa dạng
dịch vụ, không những các dịch vụ dân sự mà cả dịch vụ phục vụ cho quốc phòng,
an ninh, hàng không, hàng hải, khai thác thăm dò, …
Loại hình truyền thông này tuy mới bắt đầu ứng dụng thực tiễn từ những năm
60, nhưng do có nhiều ưu điểm cho hệ thống viễn thông mà đến nay nó đã có sự
phát triển mạnh mẽ về số lượng và chất lượng. Đối với các nước phát triển, trung
bình một quốc gia có khoảng 50 đến 60 vệ tinh các loại. Trong khi đó, tính đến thời
điểm hiện tại nước ta đã có 02 vệ tinh địa tĩnh trên quỹ đạo (Vinasat1 - 132 0E,
phóng lên quỹ đạo 4/2008, đang được khai thác sử dụng hiệu quả; vệ tinh Vinasat2
- 131.80E được phóng lên quỹ đạo 5/2012).
Ngày nay các hệ thống, các mạng thông tin vệ tinh đang được kết nối với các
mạng cố định và di động mặt đất làm cho khả năng truyền thông ngày càng đa
dạng, phong phú. Một trong các hệ thống vệ tinh nổi bật và nhiều nhất về số lượng
là hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh.
Mục tiêu nghiên cứu
Với mong muốn tìm hiểu về lĩnh vực công nghệ mới thông tin liên lạc vệ tinh,
cụ thể là cơ chế, nguyên lý truyền thông trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh, đồng
thời có ý tưởng xây dựng một công cụ phân tích giao thức truyền, xử lý các số liệu
Internet trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh. Vì thế tôi lựa chọn “Nghiên cứu cơ
chế truyền thông và xây dựng công cụ phân tích, xử lý số liệu Internet trên thông
tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh” làm đề tài nghiên cứu cho luận văn của mình.
Nội dung nghiên cứu
Về mặt lý thuyết:
Nghiên cứu tổng quan về thông tin liên lạc vệ tinh và mô hình kênh truyền
trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh.
- Nghiên cứu các cơ chế đa truy nhập trong hệ thống thông tin.
Nghiên cứu các giao thức truyền thông theo mô hình TCP/IP thường sử
dụng trên thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh.
Về mặt thực hành:
-13- Nghiên cứu đặc điểm và phân tích số liệu đăng ký được từ thông tin liên
lạc
vệ tinh.
Xây dựng công cụ phân tích các giao thức truyền theo mô hình TCP/IP với
các số liệu đăng ký được từ thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh.
- Xây dựng công cụ xử lý ra bản rõ trên số liệu đăng ký được.
Bố cục luận văn
Ngoài phần mở đầu giới thiệu về mục tiêu, ý nghĩa, nội dung nghiên cứu và
phần kết luận tóm tắt những kết quả chính đạt được cũng như đưa ra nhận xét; bố
cục luận văn gồm 3 chương chính:
Chương 1: Tổng quan về thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh.
Chương 2: Đa truy nhập trong hệ thống thông tin liên lạc vệ tinh.
Chương 3: Chương trình ứng dụng (Trình bày các giao thức truyền thông
theo mô hình TCP/IP. Các kết quả phân tích và xử lý đối với số liệu đăng ký được
trên thông tin liên lạc vệ tinh).
-14Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN LIÊN LẠC VỆ TINH ĐỊA TĨNH
1.1. Giới thiệu chung về TTLL vệ tinh địa tĩnh
1.1.1. Đặc điểm thông tin vệ tinh địa tĩnh
Sau khi được phóng vào vũ trụ dùng cho thông tin vệ tinh, vệ tinh sẽ
khuyếch đại sóng vô tuyến điện nhận được từ các trạm mặt đất và phát lại sóng vô
tuyến điện đến các máy ở trạm mặt đất khác. Loại vệ tinh nhân tạo như vậy gọi là
vệ tinh thông tin.
Khi quan sát từ mặt đất, sự di chuyển của vệ tinh theo quỹ đạo bay người ta
thường phân vệ tinh làm hai loại: Vệ tinh quỹ đạo thấp và vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh.
Hình 1-1: Quỹ đạo các vệ tinh
Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh: là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao
khoảng 36.000km so với đường kính xích đạo. Vệ tinh này bay xung quanh trái đất
1 vòng mất 24 giờ. Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của Trái đất và
cùng hướng (hướng Đông), bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ
mặt đất.
Nói tới thông tin vệ tinh, chúng ta phải kể đến các ưu điểm nổi bật của nó so
với các hệ thống thông tin khác như sau:
+ Có khả năng đa truy nhập.
+
Vùng phủ sóng của vệ tinh khá rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tĩnh thì có thể
phủ sóng toàn cầu; dải thông rộng.
+ Ổn định cao, chất lượng và khả năng thông tin băng rộng.
+
Hệ thống truyền tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau: Thoại,
phi thoại, thăm dò địa chất, định vị toàn cầu, …, phục vụ các mục đích quốc phòng
an ninh.
-15+
Hiệu quả kinh tế cao cho thông tin đường dài, xuyên lục địa. Có khả năng
quảng bá rộng lớn cho mọi loại địa hình.
+
Các thiết bị phát sóng dùng trong hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công
suất bé, còn thiết bị điện tử đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để
cung cấp điện cả ngày lẫn đêm.
Sóng vô tuyến điện phát đi từ một vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh có thể bao
phủ 1/3 toàn bộ bề mặt quả đất. Bởi vậy các trạm mặt đất thuộc vùng đó có thể liên
lạc với bất kỳ một trạm mặt đất nào thuộc vùng phủ sóng thông qua vệ tinh thông
tin. Do khả năng phủ sóng rộng lớn nên vệ tinh rất thích hợp cho các phương thức
truyền tin đa điểm đến đa điểm, 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).
Bên cạnh khả năng phủ sóng rộng lớn, băng tần rộng của hệ thống vệ tinh rất
thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện tại như truyền hình số phân giải cao
HDTV (High Definition Television), phát thanh số hay dịch vụ ISDN thông qua
một mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thuê bao DTH (Direct To Home) thông qua
trạm VSAT(Very Small Aperture Terminal). Cuối cùng do sử dụng phương tiện
truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên hệ thống thông tin vệ tinh là rất thích
hợp cho khả năng cấu hình lại nếu cần thiết. Các công việc triển khai mạng mới,
loại bỏ các trạm cũ hoặc thay đổi tuyến đều có thể thực hiện dễ dàng, nhanh chóng
với chi phí thực hiện tối thiểu.
Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu
quả sử dụng của nó tới cực đại gọi là đa truy nhập.
Tuy nhiên thông tin vệ tinh có những nhược điểm quan trọng:
- Khoảng cách truyền dẫn xa nên sóng vô tuyến điện bị hấp thụ và suy hao
lớn ở tầng điện ly và khí quyển đặc biệt trong mưa, ảnh hưởng của tạp âm lớn.
- Giá thành lắp đặt hệ thống, kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh lên quỹ
đạo là rất cao, tốn kém nhưng xác suất rủi ro vẫn có thể tồn tại.
- Thời gian sử dụng hạn chế, khó bảo dưỡng, sửa chữa và nâng cấp.
- Do đường đi của tín hiệu vô tuyến truyền qua vệ tinh địa tĩnh khá dài (hơn
70.000 km) nên từ điểm phát đến điểm nhận sẽ có thời gian trễ đáng kể.
Trong thực tế vệ tinh luôn có sự chuyển động tương đối đối với mặt đất, dù
là vệ tinh địa tĩnh nhưng vẫn có một sự dao động nhỏ. Điều này buộc trong hệ
thống phải có các trạm điều khiển nhằm giữ vệ tinh ở một vị trí nhất định.
-16Thêm nữa do các vệ tinh bay trên quỹ đạo cách rất xa mặt đất với tổng chiều
dài từ đường lên và đường xuống là trên 70.000Km thì thời gian truyền trễ là đáng
kể = 1/4 giây mặc dù tốc độ truyền sóng là rất cao 300.000Km/s cho nên việc
truyền sóng giữa các trạm phải chịu sự suy hao lớn, bị ảnh hưởng của các yếu tố
thời tiết và phải đi qua nhiều loại môi trường khác nhau.
Chi phí phóng vệ tinh là rất cao cho nên nói chung các vệ tinh có khả năng
hạn chế. Bù lại, các trạm mặt đất phải có khả năng làm việc tương đối mạnh nên
các thiết bị phần lớn đều đắt tiền, nhất là chi phí cho anten lớn (Một anten có
đường kính 18m giá khoảng 5-7 triệu USD).
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. Lượng nhiên liệu
dự trữ này không thể quá lớn vì khả năng của các tên lửa đẩy có hạn và phụ thuộc
vào kích thước vệ tinh. Nếu vệ tinh đã dùng hết lượng nhiên liệu này thì chúng coi
như hết khả năng sử dụng và vì thế tuổi thọ của vệ tinh nói chung thường thấp hơn
so với các thiết bị thông tin mặt đất khác. Việc khôi phục vệ tinh hoạt động trở lại
hết sức tốn kém và phức tạp nên trên thực tế người ta thường thay thế bằng một vệ
tinh hoàn toàn mới.
1.1.2. Cấu trúc tổng quát hệ thống truyền tin vệ tinh
Cấu trúc khái quát của một hệ thống vệ tinh gồm:
-Phân đoạn không gian (space segment)
-Phân đoạn mặt đất (ground segment)
Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên. Đường
vệ tinh đến trạm mặt đất gọi là đường xuống.
Hình 1-2: Cấu hình khái quát một hệ thống thông tin vệ tinh
-171.1.2.1. Phân đoạn không gian
Phân đoạn không gian của một hệ thống thông tin vệ tinh 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 hành trình của vệ tinh (cả hệ thống bám, đo đạc và
điều khiển). Bản thân vệ tinh bao gồm hai phần: phần tải (payload) và phần thân
nền vệ tinh (platform). Phần tải bao gồm hệ thống các anten thu/phát và tất cả các
thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn và xử lý tín hiệu qua vệ tinh. Phần thân
nền vệ tinh bao gồm các hệ thống phục vụ cho phần tải vệ tinh hoạt động như cấu
trúc vỏ, khung vệ tinh, nguồn cung cấp điện, …
Các sóng được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến lên
(uplink). Vệ tinh thu các sóng từ tuyền lên, xử lý, biến đổi tần số, khuếch đại và
truyền các sóng vô tuyến đó trở về trạm mặt đất gọi là tuyến xuống (downlink).
Các bộ phát đáp được đặt trong vệ tinh để thu tín hiệu từ tuyến lên, biến đổi
tần số, khuếch đại công suất và truyền trở lại tuyến xuống.
Vệ tinh trong trường hợp này đóng vai trò một trạm trung chuyển tín hiệu
giữa các trạm mặt đất và được xem như là một nút của mạng với hai chức năng
chính:
Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc
truyền lại trên tuyến xuống.
Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh một phần công
suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu.
Ngoài hai nhiệm vụ chủ yếu trên, thông thường vệ tinh còn có một số chức
năng khác tùy thuộc vào tính chất của vệ tinh.
Tín hiệu từ
tuyến lên
BPF
Anten thu
6 GHz
Hình 1-3: Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản
Phần tải của vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật sau:
- Dải tần công tác
-18- Số lượng bộ phát đáp
- Độ rộng dải thông qua mỗi bộ phát đáp
- Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống
- Vùng phủ sóng yêu cầu.
Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp của vệ tinh có thể từ vài trăm MHz đến vài
chục GHz, thường được chia thành các băng tần con.
1.1.2.2. Phân đoạn mặt đất
Phân đoạn mặt đất gồm tất cả các trạm mặt đất của hệ thống và chúng
thường được kết nối với các thiết bị của người sử dụng thông qua các mạng mặt
đất. Các trạm mặt đất được phân loại tùy thuộc vào kích cỡ trạm và loại hình dịch
vụ.
Hình 1-4: Sơ đồ khối chức năng của một trạm mặt đất đơn
giản 1.1.3. Nguyên lý thông tin liên lạc vệ tinh địa tĩnh
Nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin vệ tinh có thể được tóm tắt: Tại
đầu phát trạm mặt đất, tín hiệu băng tần cơ bản BB (BaseBand) như: tín hiệu thoại,
video, telex, fax,… được điều chế lên thành trung tần IF (Intermediate Frequency)
sau đó được đổi lên thành cao tần RF (Radio Frequency) nhờ bộ đổi tần tuyến lên
U/C (Up Coverter), rồi được bộ khuếch đại công suất HPA (High Power Amplifier)
khuếch đại lên mức công suất cao và đưa ra anten phát lên vệ tinh.
Tín hiệu cao tần từ trạm mặt đất phát truyền dẫn qua không gian tự do tới
anten thu của vệ tinh đi vào bộ khuếch đại, sau đó được đổi tần, khuếch đại công
suất rồi phát xuống trạm mặt đất thu qua anten phát.
-19Tại trạm thu mặt đất, sóng phát từ vệ tinh truyền dẫn qua không gian tự do
tới anten thu rồi đưa qua bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier),
tần số siêu cao RF được biến đổi thành trung tần IF nhờ bộ đổi tần xuống D/C
(Down Converter), sau đó đưa sang bộ giải điều chế DEM (Demodulator) để phục
hồi lại tín hiệu như lối vào trạm mặt đất.
1.1.4. Phân bố tần số cho các hệ thống TTLLVT
Để thực hiện thông tin liên lạc giữa mặt đất và vệ tinh thì trước hết các sóng
mang phải có tần số cao hơn tần số giới hạn xuyên qua tầng điện ly. Qua kết quả
nghiên cứu truyền sóng, thấy rằng: Các sóng thấp dưới 1GHz bị tiêu hao lớn do
tầng điện ly, còn các sóng cao hơn 10GHz lại bị tiêu hao lớn do bị hấp thụ của khí
quyển, mây, mưa. Bởi vậy, chỉ có dải tần số từ 1 tới 10GHz là bị tiêu hao nhỏ nhất
và được coi là dải tần tốt nhất cho thông tin vệ tinh.
Việc truyền các tín hiệu sóng vô tuyến trong dải tần này được xem như
truyền sóng trong không gian tự do. Hiện nay, người ta thường chọn các tần số
trong dải tần từ 1 tới 40 GHz để đảm bảo thông tin vệ tinh.
Tên gọi băng tần
L
S
C
X
Ku
K
Ka
Bảng 1: Băng tần công tác của các hệ thống TTVT
Băng C (6/4 GHz; cho đường lên = 6 GHz; đường xuống = 4GHz): Băng tần
này có đặc tính là thiết bị tương đối rẻ, tạp âm vũ trụ nhỏ và suy hao tín hiệu trong
tầng khí quyển bé. Băng tần C trùng với hệ thống Viba dưới mặt đất. Nó được sử
dụng ở các hệ thống Intelsat, thông tin khu vực và nội địa.
Băng Ku [các băng (14/12 và 14/11) GHz]: Băng này được sử dụng tiếp sau
băng C cho viễn thông công cộng. Được dùng nhiều cho thông tin nội địa và giữa
các công ty. Do tần số cao cho phép sử dụng các Anten kích thước nhỏ.
Băng Ka (30/20 GHz): Vì tần số cao băng tần này cho phép sử dụng các trạm
mặt đất nhỏ, sử dụng trong thông tin quốc tế và nội địa. Vì suy hao lớn do mưa nên
giá thành thiết bị tương đối cao, nhưng nó ít gây nhiễu cho hệ thông Viba số.
-20Sơ đồ bố trí thực hiện truyền thông trên vệ tinh địa tĩnh Sinosat1:
Hình 1-5: Mô hình truyền thông trên vệ tinh địa tĩnh Sinosat1110.5 E 1.2. Truyền tín hiệu số trên kênh truyền vệ tinh
1.2.1. Kênh truyền thông tin vệ tinh
1.2.1.1. Mô hình kênh truyền
Các hình dưới mô tả kênh truyền từ thiết bị đầu cuối của người sử dụng này
đến thiết bị đầu cuối của người sử dụng khác thông qua vệ tinh. (Hình1-6.a).
0
Đây là trường hợp trạm mặt đất cỡ lớn được kết nối với mạng mặt đất thông
qua giao diện trạm/ mạng mặt đất. Với các trạm mặt đất cỡ nhỏ loại VSAT, thì kết
nối thông qua giao diện trạm mặt đất/ thiết bị đầu cuối (Hình 1-6.b).
-21-
Giữa giao diện trạm mặt đất/mạng hoặc trạm mặt đất/thiết bị đầu cuối và
anten phát là thiết bị mặt đất có chức năng cung cấp và xử lý tín hiệu băng gốc,
điều chế trung tần (IF) và chuyển đổi thành tần số tuyến (RF). Quá trình ngược lại
sẽ diễn ra ở phía đầu thu.
1.2.1.2. Đặc tính kỹ thuật kênh truyền
Các đặc tính của kênh truyền đã được chỉ tiêu hóa trong các khuyến nghị của
ITU phù hợp với dạng tín hiệu được truyền trên kênh. Chất lượng của tín hiệu cung
cấp cho người sử dụng được xác định bởi các tham số:
Tỷ số C/N = công suất tín hiệu băng gốc/công suất tạp âm băng gốc, trường
hợp tín hiệu truyền là tương tự (analog).
- Tỷ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate), trường hợp tín hiệu truyền là số
(digital).
Thời gian truyền tải tín hiệu của tuyến liên lạc ở mô hình bao gồm thời gian
truyền trong không gian và thời gian truyền trong mạng mặt đất.
1.2.2. Truyền tín hiệu số
Các tín hiệu số truyền trên kênh thông tin vệ tinh có thể là các tín hiệu dữ
liệu số từ các thiết bị đầu cuối của người sử dụng (các máy tính, …) được số hóa.
Hình 1-7: Sơ đồ khối chức năng quá trình truyền tín hiệu số trên kênh TTVT
-221.2.3. Ghép kênh TDM
Ghép kênh TDM là kỹ thuật xử lý số, có thể ứng dụng khi tốc độ truyền dữ
liệu trung bình lớn hơn tốc độ truyền dữ liệu yêu cầu bởi thiết bị gửi và nhận.
Trong trường hợp này, nhiều truyền dẫn phức tạp có thể chiếm lĩnh một liên kết vật
lý bằng cách chia nhỏ chúng và chèn vào các khe khác nhau.
Hình 1-8: Phương pháp ghép kênh TDM
1.2.3.1. Ghép kênh TDM đồng bộ
Trong ghép kênh phân thời đồng bộ, thuật ngữ “đồng bộ” ở đây có nghĩa là
bộ ghép kênh phân chia các khe thời gian giống nhau cho mỗi một thiết bị tại tất cả
các thời điểm không phân biệt.Tại mỗi thời điểm, thiết bị có khe thời gian tương
ứng đã được phân sẽ có cơ hội để gửi một phần dữ liệu của nó. Nếu như một thiết
bị không thể thực hiện truyền dẫn hoặc không có dữ liệu để gửi thì khe thời gian
của nó sẽ duy trì trạng thái rỗng.
1.2.3.2. Khung (Frames)
Các khe thời gian được nhóm thành các khung. Mỗi khung gồm một hoặc
nhiều vòng thời gian hoàn chỉnh, bao gồm một hoặc nhiều khe dành cho từng thiết
bị gửi. Trong hệ thống có n đường vào, mỗi khung có ít nhất n khe, mỗi khe được
chỉ định để mang dữ liệu từ một đường vào xác định. Thực hiện truyền dẫn với 2
khe thời gian/ khung sẽ nhanh hơn 2 lần truyền dẫn với 1 khe thời gian/ khung. Các
khe thời gian được chỉ định ứng với một thiết bị chiếm cứ (nằm ở) vị trí giống nhau
trong mỗi khung và tạo thành kênh của thiết bị đó.
Hình 1-9: Ghép kênh phân thời đồng bộ TDM
-231.2.3.3. Kỹ thuật chuyển dịch luân phiên (Interleaving)
TDM đồng bộ có thể so sánh với một cái công tắc chuyển mạch quay cực
nhanh. Khi mở công tắc ở phía trước của thiết bị, thiết bị đó có cơ hội gửi một số
lượng dữ liệu xác định(x bit) trên đường truyền(path). Công tắc chuyển dịch từ
thiết bị này đến thiết bị khác với tốc độ không đổi và theo một trật tự xác định. Kỹ
thuật xử lý này gọi là Interleaving.
Interleaving có thể thực hiện theo bit, byte hoặc theo một đơn vị dữ liệu bất
kỳ. Trong hệ thống định sẵn, các đơn vị (units) interleaving sẽ luôn có cùng kích
thước.
Hình 1-10: Interleaving, quá trình dồn kênh
Ở
bộ nhận, bộ phân kênh sẽ phân rã từng khung bằng cách rút trích lần lượt
các ký tự. Khi ký tự được lấy ra khỏi khung nó sẽ được chuyển tới thiết bị nhận
tương ứng.
Hình 1-11: Interleaving, quá trình tách kênh
Quá trình dồn và tách kênh đã chỉ ra những nhược điểm chính của kỹ thuật
TDM đồng bộ là: Khi các đường truyền không hoạt động đồng thời chúng ta sẽ có
những khe thời gian rỗng, vấn đề này gây ra sự lãng phí lớn về tận dụng khả năng
của đường truyền. Trong hình 1-10, có 3 khung đầu chứa đầy dữ liệu, 3 khung sau
có 6 khe rỗng, nghĩa là đã lãng phí 6/24 =1/4 khả năng của đường truyền.
-241.2.3.4. Bit đồng bộ khung (Framing bits)
Người ta thường thêm vào đầu mỗi khung một hoặc nhiều bit đồng bộ.
Những bit này, được gọi là “framing bit”, từ khung này tới khung khác, mà nó cho
phép bộ phân kênh đồng bộ với dòng dữ liệu đến vì vậy nó có thể phân tách các khe
thời gian chính xác. Trong phần lớn các trường hợp, thông tin đồng bộ này gồm
1bit/khung, hoán chuyển giữa 0 và 1(01010101010) như chỉ ra ở hình 1-12.
Hình 1-12: Khuôn dạng bit đồng
bộ 1.2.3.5. Ghép kênh phân thời không đồng bộ
Kỹ thuật TDM đồng bộ không bảo đảm tận dụng hết khả năng của liên kết
(link) được sử dụng. Ví dụ, giả sử có 20 máy tính ở đầu ra đã được ghép kênh trên
một đường truyền đơn ( single line ). Sử dụngTDM đồng bộ, tốc độ của mỗi đường
như vậy ít nhất cũng phải bằng 20 lần tốc độ của mỗi một đường vào (input line).
Nếu như chỉ có 10 máy tính được sử dụng cùng lúc thì một nửa dung lượng đường
truyền không được sử dụng. Và TDM không đồng bộ (TDM thống kê) được thiết
kế nhằm tránh sự lãng phí đó. Thuật ngữ “không đồng bộ” có nghĩa là linh hoạt và
không cố định.
Hình 1-13: TDM không đồng bộ
Giống như TDM đồng bộ, TDM không đồng bộ cho phép một số các đường
vào (input line) có tốc độ truyền thấp ghép kênh thành một đường có tốc độ truyền
cao hơn. Khác là, trong kỹ thuật TDM không đồng bộ tốc độ truyền tổng thể của
các đường vào có thể lớn hơn khả năng của đường truyền (path). Trong hệ thống
