Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh ứng dụng cho intrernet vệ tinh băng thông rộng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.65 MB, 118 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
TRƯƠNG QUỐC ĐẠT
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH,
ỨNG DỤNG CHO INTERNET VỆ TINH
BĂNG THÔNG RỘNG
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
Bình Định - Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
TRƯƠNG QUỐC ĐẠT
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH,
ỨNG DỤNG CHO INTERNET VỆ TINH
BĂNG THÔNG RỘNG
Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông
Mã số
: 8520208
Người hướng dẫn: TS. NGUYỄN ĐỖ DŨNG
i
LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trương Quốc Đạt, học viên lớp cao học K22 – Kỹ thuật viễn thông –
Trường đại học Quy Nhơn ( 2019- 2021).
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh, ứng dụng cho
Internet vệ tinh băng thông rộng” do Thầy giáo TS. Nguyễn Đỗ Dũng hướng dẫn, là
cơng trình nghiên cứu do bản thân tôi thực hiện, dựa trên sự hướng dẫn của Thầy giáo
hướng dẫn khoa học và các tài liệu tham khảo đã trích dẫn.
Tơi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan của mình.
Quy Nhơn, ngày 24 tháng 4 năm 2021
Tác giả luận văn
Trương Quốc Đạt
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
i
MỤC LỤC
ii
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
v
DANH MỤC BẢNG BIỂU
ix
DANH MUC HÌNH VẼ
x
LỜI MỞ ĐẦU
1
Chương 1
5
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG TRUY
CẬP INTERNET
5
1.1 MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 5
1. 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ..................................... 5
1.2.1 Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh ........................................................... 5
1.2.2 Cấu trúc tổng quát một hệ thống thông tin vệ tinh ............................................ 7
1.3 NGUYÊN LÝ CĂN BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ............... 12
1.3.1 Nguyên lý của thông tin vệ tinh....................................................................... 12
1.3.2 Các đặc điểm của thông tin vệ tinh: ................................................................ 14
1.3.3 Hệ thống thông tin vệ tinh cơ bản.................................................................... 15
1.3.4 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh ............................................................ 16
1.4 ỨNG DỤNG THÔNG TIN VỆ TINH CHO INTERNET VỆ TINH BĂNG
THÔNG RỘNG ........................................................................................................... 16
1.4.1 Giới thiệu ......................................................................................................... 16
1.4.2 Mạng kết nối .................................................................................................... 17
1.4.3 Mạng truy cập .................................................................................................. 18
1.4.4 Thế hệ tiếp theo Ka-band................................................................................. 18
1.4.5 Mạng vệ tinh băng thông rộng ......................................................................... 20
1.4.6 Hệ thống vệ tinh broadband toàn cầu ............................................................. 26
1.5 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 34
Chương 2
35
iii
NHIỄU, CAN NHIỄU VÀ TÍNH TỐN DỰ TRỮ TUYẾN
35
2.1 MỞ ĐẦU
2.2 NHIỄU, CAN NHIỄU ........................................................................................... 35
2.2.1 Nhiễu trắng ...................................................................................................... 35
2.2.2 Nhiễu nhiệt....................................................................................................... 35
2.3 NHIỆT ĐỘ NHIỄU CỦA ANTEN ....................................................................... 36
2.4 TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU TẠI ĐẦU VÀO MÁY THU .......................... 38
2.4.1 Định nghĩa ....................................................................................................... 38
2.4.2 Các biểu thức tính tốn C/N0 ở đầu vào thiết bị thu ........................................ 38
2.5 TỶ SỐ C/N0 ĐỐI VỚI MỘT KÊNH TRUYỀN TRẠM MẶT ĐẤT – TRẠM
MẶT ĐẤT ................................................................................................................... 39
2.5.1 Biểu thức của (C/N0) trong trường hợp khơng có can nhiễu từ các hệ thống
khác ........................................................................................................................... 39
2.5.2 Biểu thức của (C/N0) trong trường hợp có can nhiễu ................................... 39
2.6 VÍ DỤ TÍNH GIÁ TRỊ TỶ SỐ C/N0 CHO TỒN TUYẾN KÊNH TRUYỀN
(GIỮA HAI TRẠM MẶT ĐẤT QUA BỘ PHÁT ĐÁP VỆ TINH) ........................... 40
2.7 CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN VỀ TRUYỀN TÍN HIỆU .................................. 42
2.7.1Cơng suất bức xạ đẳng hướng hiệu quả ............................................................ 44
2.7.2 Mật độ dịng cơng suất ..................................................................................... 44
2.7.3 Độ lợi ăng ten .................................................................................................. 45
2.7.4 Mất đường dẫn không gian trống .................................................................... 48
2.7.5 Phương trình liên kết cơ bản cho công suất nhận ............................................ 50
2.8 NHIỄU HỆ THỐNG .............................................................................................. 52
2.9 KẾT LUẬN ............................................................................................................ 53
CHƯƠNG 3
54
GIAO THỨC TRONG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG RỘNG TRUY CẬP
INTERNET
54
3.1 GIỚI THIỆU .......................................................................................................... 54
3.2 VỆ TINH IP ........................................................................................................... 54
3.2.1 Quản lý lưu lượng IP qua vệ tinh .................................................................... 55
3.2.2 Cơ chế QoS ...................................................................................................... 57
3.2.3 Bảo mật IP vệ tinh ........................................................................................... 67
3.2.4 Đa phương tiện IP vệ tinh ................................................................................ 72
iv
3.2.5 Vệ tinh IP tương tác ......................................................................................... 74
3.3 VỆ TINH TCP ....................................................................................................... 77
3.3.1 Đặc điểm liên kết vệ tinh ảnh hưởng đến TCP ................................................ 78
3.3.2 Giao thức TCP ................................................................................................. 80
3.3.3 Cải tiến TCP cho mạng vệ tinh ........................................................................ 84
3.3.4 Proxy nâng cao hiệu suất (PEP) ...................................................................... 89
3.4 KẾT LUẬN
TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI
98
100
4.1 TỔNG KẾT LUẬN VĂN .................................................................................... 100
4.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI
4.2.1 Hướng phát triển tiếp theo của đề tài : .......................................................... 100
4.2.2 Tương lai phát triển của thông tin vệ tinh băng thông rộng truy cập Internet
................................................................................................................................ 103
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
104
v
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
Tiếng Anh
Tiếng việt
APC
Adaptive Predictive Coding
Mã hóa dự đốn thích nghi
ARQ
Automatic Repeat Request
u cầu truyền lại tự động
ATM
Asynchronous Transfer Mode
Truyền dữ liệu không đồng bộ
Additive White Gaussian
Nhiễu Gaussian trắng cộng
AWGN
Noise
BASK
Binary Amplitude Shift
Khóa dịch biên nhị phân
Keying
BER
Bit Error Rate
Tỷ số lỗi bit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
Customer Information
Hệ thống quản lý thông tin
Management System
khách hàng
CPM
Continous Phase Modulation
Điều chế pha liên tục
CRC
Cyclic Redundancy Check
Mã kiểm tra độ dư vịng
Differential Binary Phase
Khóa dịch pha nhị phân – vi
Shift Keying
phân
CIMS
D-BPSK
DE-BPSK
Differentially Encoded-BPSK
Khóa dịch pha nhị phân mã hóa
vi phân
DES
Data Encryption Standard
Mật mã chuẩn
DNS
DSS
The Domain Name System
Direct Spreading Sequence)
Hệ thống tên miền
Phổ dãy trực tiếp
vi
Tốc độ dữ liệu nâng cao cho sự phát
triển của GSM
EDGE
Enhanced Data Rates for GSM
Evolution
EIRP
Equivalent Isotropic Radiated
Power
Công suất bức xạ đẳng hướng
tương đương
ES
Earth Station
Trạm mặt đất
FTP
FCC
FDM
GEO
File Transfer Protocol
Federal Communications
Commission
Frequnecy Divison
Multiplexing
Geostationary Orbit
Giao thức truyền tệp
Ủy ban truyền thông liên bang (Hoa
Kỳ)
Ghép kênh phân chia theo tân
số
Quỹ đạo địa tĩnh
GSC
Global Satellite alliance
Liên minh vệ tinh toàn cầu
GSO
Geostatinary Earth Orbit
Quỹ đạo địa tĩnh
GPRS
General Packet Radio Service
Dịch vụ vơ tuyến gói chung
GTS
GWS
HEO
IOL
IP
IDA
Ground Tranceiver
Subsystem
Gateway Subsystem
Highly Elliptical Orbit
Inter Orbit Links
Internet Protocol
American Defense Research
Institute
ISL
Inter System Links
LEO
Low Earth Orbit
Hệ thống con thu phát mặt đất
Hệ thống con cổng chính
Quỹ đạo e-lip tầm cao
Giữa các quỹ đạo với nhau
Giao thức internet
Viện nghiên cứu Quốc phòng Mỹ
Các tuyến kết nối giữa các hệ thống
với nhau
Quỹ đạo mặt đất tầm thấp
Thiết bị đầu cuối truyền tin di động
MEO
Mobile Communication
Terminal
Medium Earth Orbit
MSK
Minimum Shift Keing
Khóa dịch tối thiểu
NCC
Network Control Center
Trung tâm điều khiển mạng
NMS
(Network Management Station
Trạm quản lý mạng
MCT
Quỹ đạo mặtđất tầm trung
vii
PLMN
Public Land Mobile Network
PRK
Phase Reverse Keying
QAM
Quadrature Amplitude
Mạng di động mặt đất cơng
cộng
Khóa đảo pha
Điều chế biên độ cầu phương
Modulation
SCC
SCPC
Satellite Control Center
Single Channel Per Carrier
Trung tâm điều khiển vệ tinh
Truyền đơn trên sóng mang
SDLC
Syschronous Data Link
Communication
Giao thức truyền dữ liệu đồng
bộ
SL
satellite
Vệ tinh
SNMC
Service Provider Network
Management Center
Trung tâm quản lý mạng cung
cấp dịch vụ
TCP
Transmission control protocol
Giao thức điều khiển truyền
S-PCN
Satellite - Personal
Communication Network:
Mạng thông tin cá nhân vệ tinh
SPD
Saturated Power Density
Mật độ thông lượng cơng suất
bão hồ
SSPA
Solid State Power Amplifier
khuếch đại dùng bán dẫn
S-TCH
Satellite - Traffic Channels
Kênh lưu lượng vệ tinh
S-TCH/E
Satellite Eight - Rate Traffic
Channel
Kênh lưu lượng vệ tinh 1/8 tốc
độ
S-TCH/F
Satellite Full - Rate Traffic
Channel
Kênh lưu lượng vệ tinh toàn
tốc độ
S-TCH/H
Satellite Half - Rate Traffic
Channel
Kênh lưu lượng vệ tinh 1/2 tốc
độ
S-TCH/Q
Satellite Quater - Rate Traffic Kênh lưu lượng vệ tinh 1/4 tốc
Channel
độ
viii
TCE
Traffic Channel Equipment
Thiết bị kênh lưu lượng
TDM
Time Division Multiple
Ghép kênh phân chia theo thời
gian
TVRO
Television Receiver Only
Chỉ dùng thu sóng truyền hình
TWTA
Travelling Wave Tube
Amplifier
Khuếch đại dùng đèn sóng chạy
VSAT
Very Small Aperture
Terminal
Thiết bị đầu cuối có khẩu độ
rất nhỏ
ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân định băng tần cho các hệ thống thông tin vệ tinh .............................................. 9
Bảng 1.2 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh ............................................................ 14
Bảng 1.3: Các mạng vệ tinh băng rộng toàn cầu ........................................................... 25
Bảng 1.4: Các hệ thống truy nhập băng thông rộng ...................................................... 30
Bảng 2.1 Bước sóng và tần số ........................................................................................ 42
Bảng 2.2 Độ lợi anten, đường kính và tần số phụ thuộc ................................................ 45
Bảng 2.3 liệt kê một số đường truyền chùm anten đại diện cho dải tần số và đường kính
được sử dụng trong các liên kết vệ tinh, cùng với các giá trị độ lợi anten .................... 46
Bảng 2.4 Tổn thất đường dẫn không gian trống đại diện cho các liên kết vệ tinh ......... 48
Bảng 3.1: Các chức năng quản lý lưu lượng .................................................................. 55
Bảng 3.2: Tiêu đề MPLS và bảng chuyển tiếp MPLS ..................................................... 65
Bảng 3.3: Các ánh xạ có thể có của DiffServ PHBs đến các loại dung lượng DVB-RCS.
........................................................................................................................................ .73
Bảng 3.4: RTT tương ứng với kích thước cửa sổ tiêu chuẩn tối đa là 64 KB ở các mức
giá khác nhau… .............................................................................................................. 79
Bảng 3.5: Khoảng thời gian Bắt đầu chậm cho các vệ tinh LEO, MEO và GEO .......... 81
Bảng 3.6: Cải thiện thông lượng bằng cách sử dụng đếm byte...................................... 84
Bảng 3.7: So sánh các cải tiến của TCP......................................................................... 88
x
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng tồn cầu .......................................... 4
Hình 1.2 Mô tả cấu trúc tổng quát một hệ thống truyền tin vệ tinh ................................. 4
Hình 1.3 Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản ....................................... 5
Hình 1.4 Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản ....................................... 8
Hình 1.5 Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất đơn giản ............................................. 9
Hình 1.6 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh. ............................................................... 10
Hình 1.7 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh. .................................................................................. 11
Hình 1.8 Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ tinh...................................................... 13
Hình 1.9: Mạng kết nối ................................................................................................... 15
Hình 1.10: Mạng truy cập............................................................................................... 16
Hình 1.11: Ví dụ về kiến trúc mạng vệ tinh băng rộng................................................... 19
Hình 1.12 Ví dụ về ngăn xếp giao thức........................................................................... 20
Hình 1.13 Kiến trúc chức năng của chuyển mạch gói nhanh ......................................... 22
Hình 1.14 Kiến trúc mạng EuroSkyWay ......................................................................... 26
Hình 1.15 Kiến trúc cổng và thiết bị đầu cuối chung được áp dụng / hoặc DVB-RCS.. 28
Hình 1.16 Hệ thống truy cập Internet StarBand ............................................................. 31
Hình 1.17: Mạng LINKWAY ........................................................................................... 31
Hình 2.1 Mơ tả nhiễu nhiệt tương đương ở đầu vào một hệ thống ................................ 34
Hình 2.2 Mạch tương đương để tính nhiệt độ nhiễu của hệ thống thu ........................... 35
Hình 2.3 Liên kết truyền thơng cơ bản ........................................................................... 41
Hình 2.4 Định nghĩa bước sóng ...................................................................................... 41
Hình 2.5 Quy luật bức xạ nghịch đảo bình phương ....................................................... 42
Hình 2.6 Mật độ dịng cơng suất..................................................................................... 43
Hình 2.7 Độ rộng chùm tia ăng-ten ................................................................................ 45
Hình 2.8 Liên kết truyền thơng cơ bản ........................................................................... 48
Hình 2.9 Các thơng số liên kết băng tần Ku ................................................................... 49
Hình 2.10 Mặt trước của máy thu ................................................................................... 50
Hình 3. 1: Nút nỗ lực tốt nhất cung cấp tổng hợp đầy đủ nhưng khơng có sự khác biệt 57
Hình 3.2: Bộ định tuyến IntServ ..................................................................................... 58
Hình 3.3: InlServ RSVP .................................................................................................. 59
Hình 3.4: Sự khác biệt hồn tồn của nút IntServ nhưng khơng có sự tổng hợp. .......... 61
xi
Hình 3.5: Nút DiffServ cung cấp sự khác biệt có thể mở rộng thông qua tổng hợp trong
một số hàng đợi hạn chế. ................................................................................................ 62
Hình 3.6: Các chức năng củaDiffServ ............................................................................ 63
Hình 3.7: Định dạng trường DiffServ ............................................................................. 64
Hình 3.8 Tiêu đề AH ....................................................................................................... 66
Hình 3.9 Tiêu đề ESP ...................................................................................................... 67
Hình 3.10 Cấu trúc của IPSec đa lớp ............................................................................. 69
Hình 3.11: IPSec tiêu chuẩn ........................................................................................... 70
Hình 3.12: IPSec mới ...................................................................................................... 70
Hình 3.13: Phát đa hướng IP qua vệ tinh. ...................................................................... 73
Hình 3.14 Ví dụ về ngăn xếp giao thức - liên kết chuyển tiếp ........................................ 74
Hình 3.15 Ví dụ về ngăn xếp giao thức - liên kết trả về ................................................. 74
Hình 3.16 Ngăn xếp IP và bảo mật trong DVB-S và DVB-RCSPP ................................ 76
Hình 3.17 TCP Khởi động chậm và Tránh tắc nghẽn .................................................... 80
Hình 3.18 Tác động của BER đến thông lượng TCP đối với các tệp lớn với kích thước
cửa sổ là tham số. RTT = 590 và B = 2048 Kb / giây .................................................... 82
Hình 3.19 TCP với giai đoạn truyền lại nhanh .............................................................. 85
Hình 3.20 Khơi phục TCP SACK từ mất gói .................................................................. 86
Hình 3.21 Sử dụng băng thông với nhiều phiên TCP (truyền tải hàng loạt) [66] ......... 87
Hình 3.22 Sơ đồ tách hai đoạn ....................................................................................... 91
Hình 3.23 Mơ hình giao thức cho TCP hai đoạn............................................................ 91
Hình 3.24 Sơ đồ tách ba đoạn ........................................................................................ 92
Hình 3.25 Mơ hình giao thức cho TCP ba phân đoạn .................................................... 93
Hình 3.26 Ví dụ về cổng SkyX (76) ................................................................................. 95
Hình 3.27 Ví dụ về hiệu suất TCP qua liên kết vệ tinh - cấu hình mạng ........................ 96
Hình 3.28 Nhiều kết nối TCP qua liên kết vệ tinh mà khơng cần cải tiến cổng giao thức
......................................................................................................................................... 97
Hình 3.29 Nhiều kết nối TCP qua liên kết vệ tinh với cải tiến cổng giao thức .............. 97
1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Mạng truyền thông vệ tinh đóng một vai trị quan trọng trong hỗ trợ truy cập
internet thông qua cơ sở hạ tầng mạng IP vệ tinh, vệ tinh/mặt đất hoặc hai chiều. Mạng
thông tin vệ tinh được phân biệt bởi một số đặc điểm như vùng phủ sóng tồn cầu, khả
năng mở rộng, khả năng phát sóng, tính linh hoạt của băng thơng theo yêu cầu, khả
năng phát đa hướng và độ tin cậy. Vệ tinh là một ứng cử viên hàng đầu để cung cấp
khả năng truy cập internet tích hợp băng thông rộng. Các hệ thống vệ tinh hiện nay
hoạt động ở dải tần C và Ku hầu hết có kiến trúc mạng vệ tinh sử dụng quỹ đạo địa
tĩnh (GSa), quỹ đạo phi địa tĩnh (NGSO) và chùm tia đa điểm ở tần số băng Ka.
Các mạng đa phương tiện vệ tinh thế hệ tiếp theo có thể được chia thành hai loại.
Thứ nhất là mạng kết nối vệ tinh băng thơng rộng trong đó kết nối người dùng đầu cuối
hoàn toàn được thiết lập. Các mạng kết nối vệ tinh tồn cầu như SpaceWay,
EuroSkyWay và Astrolink có khả năng xử lý và chuyển mạch trên bo mạch. Thứ hai,
các mạng truy cập khu vực như StarBand, IPStar và WildBlue nhằm cung cấp khả năng
truy cập internet. Yêu cầu quan trọng là cung cấp truy cập internet tốc độ dữ liệu cao,
kết nối toàn cầu và cung cấp dịch vụ QoS trong các hệ thống mạng vệ tinh thế hệ tiếp
theo này. Mạng vệ tinh băng thông rộng để hỗ trợ truy cập internet tốc độ và chất lượng
cao đang gặp nhiều thách thức. Các giải pháp tùy chọn kiến trúc hệ thống khác nhau
bao gồm từ một bộ lặp đơn giản đến một vệ tinh phức tạp với xử lý và chuyển mạch
trên bo mạch, ATM hoặc gói nhanh, MPLS/GMPLS với nhiều chùm tia và liên kết
giữa các tế bào. Kiến trúc QoS cho các mạng vệ tinh hỗ trợ các dịch vụ đa phương tiện
cần được phát triển.
Thông tin vệ tinh từ lâu đã trở thành phương tiện thông tin rất phổ biến và đa
dạng. Các hệ thống thông tin vệ tinh đang được phát triển ứng dụng rộng rãi trong
thông tin truyền thông và được ứng dụng trong mạng internet để khắc phục các nhược
điểm mạng internet có dây. Hiện nay trên thế giới, Mỹ và một số nước Châu Âu đã
triển khai và cung cấp dịch vụ internet băng rộng thông qua hệ thống vệ tinh quỹ đạo
thấp. Tiêu biểu có tập đồn SpaceX của Mỹ đã triển khai hệ thống các vệ tinh quỹ đạo
thấp LEO liên kết thành các chòm sao (Starlink) để phủ sóng dịch vụ internet vệ tinh
băng thơng rộng tồn cầu. Cung cấp internet tốc độ cao giá rẻ đến tất cả mọi khu vực
2
trên trái đất, kể cả những nơi khó khăn về địa hình mà khơng thể tiếp cận internet bằng
cách thơng thường được.
Bản thân tác giả là một người đang công tác trong ngành viễn thơng, thuộc Tập
Đồn Bưu Chính Viễn Thông Việt Nam. Khi chọn đề tài báo cáo luận văn tốt nghiệp
chương trình Thạc sỹ chuyên ngành Kỹ Thuật Viễn Thơng, tơi có suy nghĩ là mình cần
chọn một đề tài nghiên cứu sát với thực tế công việc hiện tại và mang tính đón đầu
cơng nghệ, mà Tập đồn Bưu Chính Viễn Thơng Việt Nam chắc chắn sẽ triển khai
trong thời gian sắp tới, nhằm thay thế những công nghệ cũ như cáp quang, các hệ thống
truyền dẫn vô tuyến mặt đất. Giúp cải thiện những hạn chế trong triển khai dịch vụ do
địa hình khó khăn, nâng cao chất lượng đường truyền. Nhằm đáp ứng nhu cầu ngày
càng nâng cao của người dùng. Vì vậy nên tác giả chọn đề tài nghiên cứu, báo cáo luận
văn tốt nghiệp là:
“Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh, ứng dụng cho internet vệ tinh băng
thơng rộng”.
2. Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài
Để cung cấp tốc độ cao và dung lượng lớn, năm 1998, trong [1] thực hiện dự án
internet2, kết nối các điểm mạng khu vực để cung cấp các dịch vụ cho hơn 220 trường
đại học, công ty và tổ chức thành viên. Mạng hiện tại chủ yếu là đường trục OC-192c (10
Gbps) sử dụng công nghệ quang và bộ định tuyến hiệu suất cao. Mục tiêu của dự án là
tăng dung lượng 10 Gbps, triển khai IPv6 trong khi tiếp tục hỗ trợ IPv4 và cung cấp độ
tin cậy, thay đổi công nghệ từ SONET sang ghép kênh phân chia theo bước sóng mật độ
cao (DWDM) để tăng dung lượng cáp quang. Dự án sẽ cung cấp công nghệ mạng xương
sống IP qua DWDM và một nền tảng ổn định để nâng cao phát triển ứng dụng.
Gần đây, một mạng internet liên hành tinh bao gồm cả các liên kết trên mặt đất và
liên hành tinh đã được đề cập trong [2], trong đó kiến trúc mạng bao gồm các phần tử
cấu trúc tập trung vào giao thức mạng end-to-end được gọi là 'gói' đã được đề xuất. Bộ
giao thức TCP/IP qua internet cho mơi trường truyền thơng có độ trễ truyền tín hiệu nhỏ,
tốc độ dữ liệu cao lên đến 40Gbps cho dịch vụ giao tiếp hai chiều, kết nối đầu cuối liên
tục và theo yêu cầu truy cập mạng sẽ được nghiên cứu. Ngăn xếp giao thức khác nhau
đối với độ trễ rất lớn, tốc độ dữ liệu thấp, kết nối theo lịch trình gián đoạn, v.v. Trong [3]
nghiên cứu các dịch vụ truy cập internet với mục tiêu chủ yếu đến khu dân cư nông thôn
3
thay thế dịch vụ internet dial-up, ADSL. Năm 2013, bốn vệ tinh của chịm sao O3b đã
được phóng lên quỹ đạo trái đất tầm trung để cung cấp truy cập internet. Sau đó 16 vệ
tinh khác đã gia nhập chịm sao [O3b MEO SES. Accessed 25 April 2001]. Trong [4] [5]
nhiều chòm sao đã sử dụng liên lạc laser cho các kết nối giữa các vệ tinh đê tạo ra mạng
internet trên không gian. Đến năm 2017, các hãng hàng không như Delta và American đã
giới thiệu internet vệ tinh như một phương tiện chống băng thông hạn chế trên máy bay
và cung cấp cho hành khách tốc độ internet có thể sử dụng được [6].
3. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan hệ thống thơng tin vệ tinh. Tập trung tìm hiểu lĩnh
vực ứng dụng cho Internet vệ tinh băng thông rộng.
4. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết, thu thập thơng tin khoa học trên cơ sở tìm hiểu các tài liệu,
các cơng trình liên quan bằng các thao tác tư duy logic. Phân tích và tổng hợp các luận
chứng khoa học tạo ra một hệ thống lý thuyết sâu sắc về công nghệ internet vệ tinh.
5. Bố cục luận văn
Nội dung của luận văn được thể hiện qua 3 chương:
Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh băng rộng truy cập internet.
Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về thông tin vệ tinh và các hệ thống thông
tin vệ tinh trên thế giới.
Tập trung nghiên cứu lý thuyết sơ đồ tổng quát, nguyên lý hoạt động căn bản của
hệ thống thông tin vệ tinh.
Các hệ thống ứng dụng cho Internet vệ tinh băng thông rộng.
Chương 2: Nhiễu, can nhiễu và tính tốn dự trữ tuyến
Chương này tập trung tìm hiểu, nghiên cứu các loại nhiễu sinh ra trong q trình
truyền tín hiệu của hệ thống thơng tin vệ tinh.
Tính tốn dự trữ tuyến nhằm nâng cơng suất đầu phát và đầu thu, giảm thiểu
nhiễu, để có một đường truyền với kết quả thu phát là tốt nhất.
Chương 3: Giao thức trong thông tin vệ tinh băng thông rộng truy cập Internet
4
Chương này tập trung tìm hiểu 2 giao thức cơ bản trong thơng tin vệ tinh đó là
Giao thức Internet (IP) và Giao thức điều khiển truyền (TCP).
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Với tốc độ phát triển công nghệ như hiện nay, hy vọng trong thời gian không xa
sắp tới, internet vệ tinh băng thông rộng được triển khai phổ biến trên toàn lãnh thổ Việt
Nam. Việc chọn đề tài này để tìm hiểu nghiên cứu có một ý nghĩa rất quan trọng trong
việc chủ động tiếp cận, nắm bắt và làm chủ công nghệ khi internet vệ tinh băng rộng được
triển khai tại Việt Nam.
5
Chương 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG
THÔNG RỘNG TRUY CẬP INTERNET
1.1 MỞ ĐẦU
Chương 1 sẽ giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh và các hệ thống
thông tin vệ tinh đã và đang hoạt động trên thế giới. Tập trung nghiên cứu lý thuyết cơ
sở, các sơ đồ tổng quát và nguyên lý hoạt động căn bản của hệ thống thơng tin vệ tinh.
Tìm hiểu sơ lược về các hệ thống vệ tinh băng thông rộng truy cập Internet.
1. 2 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
1.2.1 Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh
Một hệ thống truyền tin sử dụng bộ chuyển tiếp đặt trên vệ tinh nhân tạo của quả
đất được gọi là hệ thống truyền tin vệ tinh (satellite communication system) mà ta vẫn
quen gọi là thông tin vệ tinh. Thuật ngữ vệ tinh nhân tạo được dùng để phân biệt với các
vệ tinh thiên tạo và ở đây gọi tắt là vệ tinh (ký hiệu là SL - satellite).
Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn so với nhiều phương tiện truyền thơng khác nhưng
nó được phát triển nhanh chóng nhờ có nhiều ưu điểm lợi thế, đó là:
-
Vùng phủ sóng của vệ tinh khá rộng, chỉ cần ba vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng
tồn cầu.
-
Thiết bị phát sóng dùng trong hệ thống truyền tin vệ tinh chỉ cần công suất bé.
-
Việc lắp đặt hoặc di chuyển các thành phần trong hệ thống truyền tin vệ tinh
đặt trên mặt đất tương đối nhanh chóng, dễ dàng và khơng phụ thuộc vào cấu hình mạng
cũng như hệ thống truyền dẫn.
-
Hệ thống truyền tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau: thoại và
phi thoại, thăm dị địa chất, định vị tồn cầu, quan sát mục tiêu, thăm dị dự báo khí tượng,
phục vụ các mục đích quốc phịng an ninh, v.v...
-
Thơng tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất, trong
lúc các phương tiện truyền thông khác khơng thể hoạt động thì duy nhất chỉ có hệ thống
truyền tin vệ tinh hoạt động.
-
Các thiết bị điện tử đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung
cấp điện hầu như cả ngày lẫn đêm.
6
Tuy vậy, thơng tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm, đó là:
-
Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo là khá lớn và công nghệ
phóng cũng như việc sản xuất thiết bị khơng phải nước nào cũng làm được.
-
Bức xạ của sóng vơ tuyến thông tin vệ tinh bị tổn hao trong môi trường truyền
sóng, đặc biệt là những vùng mây mù, nhiều mưa. Nếu muốn dùng anten bé, trọng lượng
thiết bị nhẹ thì tổn hao vào giá thành sẽ gia tăng.
-
Cường độ trường tại điểm thu trên mặt đất phụ thuộc vào khoảng cách truyền
sóng và góc phương vị giữa anten thu - phát. Điều đó có nghĩa là phụ thuộc vào toạ độ
của vệ tinh so với vùng được phủ sóng.
-
Tín hiệu của tuyến lên và tuyến xuống trong hệ thống truyền tin vệ tinh phải
chịu một thời gian trễ đáng kể (khoảng 0,25 s với vệ tinh địa tĩnh) do đó trong q trình
xử lý phải tính đến.
Hình 1.1 mơ tả ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng tồn cầu.
Hình 1.1 Ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng tồn cầu
Cấu trúc một hệ thống truyền tin vệ tinh gồm hai phân đoạn: phân đoạn không
gian (space segment) và phân đoạn mặt đất (ground segment). Hình 1.2 mô tả hai phân
đoạn của một hệ thống truyền tin vệ tinh.
7
1.2.2 Cấu trúc tổng quát một hệ thống thông tin vệ tinh
Hình 1.2 Mơ tả cấu trúc tổng qt một hệ thống truyền tin vệ tinh
1.2.2.1. Phân đoạn không gian
Phân đoạn không gian của một hệ thống truyền 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, ví dụ cấu trúc vỏ và khung vệ tinh, nguồn cung
cấp điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng chuyển động và quỹ đạo, bám,
đo đạc, v.v...
Các sóng vơ tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh được gọi là tuyến lên
(uplink). Vệ tinh thu các sóng từ tuyến lên, xử lý, biến đổi tần số, khuếch đại và truyền
các sóng vơ tuyến đó trở về các trạm mặt đất theo tuyến xuống (downlink). Chất lượng
của một liên lạc qua sóng vơ tuyến đó được xác định bởi tỷ số năng lượng sóng mang
trên năng lượng tạp nhiễu C/N của tồn tuyến, trong đó bao gồm cả kỹ thuật điều chế và
mã hoá được sử dụng.
8
Các bộ phát đáp (transponder) được đặt trong vệ tinh để thu tín hiệu từ tuyến lên,
biến đổi tần số, khuếch đại công suất và truyền trở lại theo tuyến xuống. Hình 1.3 mơ tả
sơ đồ khối một bộ phát đáp đơn giản.
Hình 1.3 Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản
đây khơng có nhiệm vụ giải điều chế và xử lý tín hiệu thu được. Nó chỉ đóng vai trị như
một bộ chuyển đổi xuống, có hệ số khuếch đại cơng suất lớn. Bộ khuếch đại công suất
trong bộ phát đáp thường dùng hai loại: khuếch đại dùng đèn sóng chạy TWTA
(Travelling Wave Tube Amplifier) và khuếch đại dùng bán dẫn SSPA (Solid State Power
Amplifier). Cơng suất bão hồ tại đầu ra của TWTA thường từ 20 W đến 40 W. Trong
các vệ tinh loại mới được trang bị các bộ phát đáp có đa chùm tia (multibeam satellite
transponder) và các bộ phát đáp tái sinh (regenerative transponder). Do hạn chế về kích
thước và trọng lượng cho nên các anten thu/phát của bộ phát đáp thường có kích thước
nhỏ, vì vậy độ tăng ích của anten vệ tinh có giới hạn.
Vệ tinh trong trường hợp này đóng vai trị một trạm trung chuyển tín hiệu giữa các
trạm mặt đất và được xem như một điểm nút của mạng với hai chức năng chính sau đây:
1- Khuếch đại các sóng mang thu được từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền lại
trên tuyến xuống. Công suất đầu vào của máy thu vệ tinh có yêu cầu từ 100 pW đến 1
nW, cịn cơng suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát cho tuyến xuống có yêu
cầu từ 10 W đến 100 W. Như vậy độ tăng ích anten của bộ phát đáp vệ tinh có yêu cầu
từ 100 dB đến 130 dB. Năng lượng sóng mang trong băng tần được bức xạ đến các vùng
phủ sóng trên bề mặt quả đất theo các nước EIRP tương ứng phủ sóng.
2 - Thay đổi tần số sóng mang (giữa thu và phát) nhằm tránh một phần cơng suất
phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu. Khả năng lọc của các bộ lọc đầu vào đối với
tần số sóng mang tuyến xuống, có tính đến độ tăng ích thấp của anten, cần đảm bảo sự
cách biệt khoảng 150 dB.
9
Ngồi hai nhiệm vụ chủ yếu trên, thơng thường vệ tinh cịn có một số chức năng
khác. Ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng qt thì bộ phát đáp vệ tinh
phải có khả năng tạo tuyến sóng mang đến các vùng hoặc đốm phủ sóng yêu cầu. Trường
hợp đối với vệ tinh tái sinh thì bộ phát đáp cịn có chức năng điều chế và giải điều chế.
Phần tải của các vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật sau:
- Dải tần công tác;
- Số lượng bộ phát đáp;
- Độ rộng dải thông của mỗi bộ phát đáp;
- Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống;
- Cơng suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP: Equivalent Isotropic
Radiated Power) hoặc mật độ thông lượng công suất tạo ra tại biên của vùng phủ sóng
phục vụ;
- Mật độ thơng lượng cơng suất bão hồ tại anten thu của vệ tinh (SPD:
Saturated Power Density);
- Hệ số phẩm chất (G/T) của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng hoặc
giá trị cực đại;
- Vùng phủ sóng u cầu;
- Cơng suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát;
- Cấu hình dự phịng cho máy thu và bộ khuếch đại công suất phát.
Băng tần phân bổ cho bộ phát đáp vệ tinh có thể từ vài trăm MHz lên đến vài chục
GHz. Băng tần này thường được chia thành các băng tần con (theo phân định của ITU).
Hầu hết các bộ phát đáp thường được thiết kế với dải thông 36 MHz, 54 MHz hoặc 72
MHz, trong đó dải thơng 36 MHz là chuẩn được dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình
băng C (6/4 GHz). Hiện nay một số loại bộ phát đáp có xử lý tín hiệu đã được đưa vào
sử dụng và như vậy có thể cải thiện được chất lượng tín hiệu.
1.2.2.2. Phân đoạn mặt đất
Phân đoạn mặt đất bao 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 hoặc trong
trường hợp sử dụng các trạm VSAT (Very Small Aperture Terminal: Thiết bị đầu cuối
có khẩu độ rất nhỏ), các hệ thống thông tin di động vệ tinh S-PCN (Satellite - Personal
Communication Network: Mạng thông tin cá nhân vệ tinh) thì vệ tinh có thể liên lạc trực
10
tiếp với thiết bị đầu cuối của người sử dụng. Các trạm mặt đất được phân loại tuỳ thuộc
vào kích cỡ trạm và loại hình dịch vụ. Có thể có các trạm mặt đất vừa thu vừa phát sóng
nhưng cũng có loại trạm mặt đất chỉ làm nhiệm vụ thu sóng, ví dụ trạm TVRO (Television
Receiver Only: Chỉ dùng thu sóng truyền hình).
Trạm mặt đất của hệ thống thơng tin vệ tinh (ES - Earth Station) có hai chức năng
của yếu, đó là:
- Tiếp nhận các tín hiệu từ các mạng mặt đất hoặc trực tiếp từ thiết bị đầu cuối của
người sử dụng, xử lý các tín hiệu đó, biến đổi thành sóng mang và truyền lên vệ tinh theo
tuyến lên với cơng suất và tần số thích hợp.
- Thu các sóng mang từ tuyến xuống của vệ tinh, xử lý và chuyển chúng thành tín
hiệu băng cơ sở để cung cấp cho các mạng mặt đất hoặc trực tiếp đến thiết bị đầu cuối
của người sử dụng.
Ngoài hai nhiệm vụ thu/phát nêu trên, một số trạm mặt đất còn được trang bị một
hệ thống phụ để điều khiển hoặc bám vệ tinh. Phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể mà trạm mặt
đất có thể có cả hệ thống phát và thu hoặc chỉ có hệ thống thu. Ví dụ hệ thống TVRO
(TeleVision Receiver Only) chỉ có nhiệm vụ thu tín hiệu truyền hình và truyền cho trạm
mặt đất. Một số trạm mặt đất có thể được trang bị thêm chuyển mạch, ghép kênh hoặc
các giao diện kết nối.
Hình 1.4 Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản
Hình 1.4 mơ tả sơ đồ khối chức năng của một trạm mặt đất điển hình. Cấu trúc của
hệ thống gồm năm phân hệ:
1. Phân hệ anten-phi đơ;
2. Phân hệ thu;
3. Phân hệ phát;
4. Phân hệ ghép kênh và giao diện;
11
5. Phân hệ bám vệ tinh và điều khiển;
Dưới góc độ phân tích tín hiệu, trạm mặt đất bao gồm năm phân hệ sau:
1. Phân hệ anten;
2. Phân hệ tần số vơ tuyến;
3. Phân hệ xử lý tín hiệu trung gian;
4. Phân hệ ghép kênh và giao diện mạng;
5. Phân hệ giám sát, bám và điều khiển vệ tinh.
Hình 1.5 mô tả sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất đơn giản làm nhiệm vụ cả
thu và phát.
Hình 1.5 Sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất đơn giản
1.2.2.3 Dải tần làm việc của hệ thống thông tin di động vệ tinh
Hiện nay các hệ thống thông tin di động vệ tinh làm việc ở nhiều băng tần khác
nhau, phụ thuộc vào dạng dịch vụ. Lúc đầu Liên minh viễn thông Quốc tế (ITU) phân
định phổ tần cho các dịch vụ di động vệ tinh là từ băng tần L đến băng tần S. Các hệ
thống vệ tinh và các yêu cầu dịch vụ ngày càng gia tăng do đó yêu cầu về băng tần cũng
gia tăng. Tần số làm việc của các hệ thống di động vệ tinh hiện có thể từ cận trên băng
tần VHF đến băng tần Ka và đôi khi đến băng tần V, W. Các băng tần được lựa chọn sử
dụng phổ biến nhất trong các hệ thống thông tin di động vệ tinh là băng tần C và K. Bảng
1.1 liệt kê các băng tần cụ thể cùng với ký hiệu tên gọi theo khuyến nghị của ITU trong
đó có các băng tần được phân định cho các hệ thống thông tin vệ tinh.
12
Bảng 1.1: Phân định băng tần cho các hệ thống thông tin vệ tinh
Băng tần
Tần số (MHz)
P
L
225 - 390
390 - 1550
S
C
X
Ku
Ka
Q
V
W
1550
- 3900
3900
- 8500
8500
- 1090
1090 - 17250
17250
- 36000
36000
- 46000
46000
- 56000
56000 - 100000
1.3 NGUYÊN LÝ CĂN BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH
1.3.1 Nguyên lý của thông tin vệ tinh
Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thơng tin ngồi trái đất. Nó
có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vơ tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi
phát trở về trái đất cho một trạm khác.
Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là:
- Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất.
- Qủa đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh. Hình 2.1 biểu diễn
3 dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh.
Hình 1.6 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh.
