Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh ứng dụng cho intrernet vệ tinh băng thông rộng

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 THƠNG RỘNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
•••

••7


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN
Bình Định - Năm 2021

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

3

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


MỤC LỤC
••

NHIỄU, CAN NHIỄU VÀ TÍNH TỐN DỰ TRỮ TUYẾN 35
2.1 MỞ ĐẦU
2.2
2.3..........................................................................................................................
1.2.2
Tương lai phát triển của thông tin vệ tinh băng thông rộng truy cập
Internet
2.4........................................................................................................................
2.5

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

103


2.7 Viết
tắt
2.12
2.15
2.18
2.21
N

2.6

THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

2.8

Tiếng Anh
2.14

2.9
r
2.10
2.11 Tiếng việt
Mã hóa dự đốn thích nghi

2.17

u cầu truyền lại tự động

2.20
bộ

Truyền dữ liệu khơng đồng

2.24

Nhiễu Gaussian trắng cộng

2.28

Khóa dịch biên nhị phân

FT1* A

APC

2.13 Adaptive Predictive
Coding
ARQ 2.16 Automatic Repeat
Request
ATM 2.19 Asynchronous Transfer
Mode
2.22 Additive White
AWG
Gaussian
2.23

Noise

2.26

Binary Amplitude Shift

2.27

Keying

• /S J

2.25
K

BAS

2.29

BER

2.30

Bit Error Rate

2.31

Tỷ số lỗi bit

2.32
K

BPS

2.33 Binary Phase Shift
Keying
2.36 Customer Information

2.34

Khóa dịch pha nhị phân

2.38

Hệ thống quản lý thông tin

2.35

CIMS 2.37

2.39

CPM

2.42

CRC

2.45 DBPSK

Management System

2.40 Continous Phase
Modulation
2.43 Cyclic Redundancy
Check
2.46 Differential Binary
Phase
2.47

2.41

Điều chế pha liên tục

2.44

Mã kiểm tra độ dư vịng

2.48

Khóa dịch pha nhị phân - vi

phân

Shift Keying

2.49 DEBPSK

2.50 Differentially EncodedBPSK

2.52

DES

2.55
2.58

DNS
DSS

2.53 Data Encryption
Standard
2.56 The Domain Name
SystemDirect Spreading
2.59
Sequence)

2.61

khách hàng

2.51

Khóa dịch pha nhị phân mã

hóa vi phân
2.54

Mật mã chuẩn

2.57

2.60

Hệ thống tên miền
Phổ dãy trực tiếp


2.62
E

EDG

2.63 Enhanced Data Rates
for GSM
2.64
2.67 Evolution
Equivalent Isotropic

2.65 Tốc độ dữ liệu nâng cao
cho sự phát triển của GSM

2.66

EIRP

Radiated Power

2.68 Công suất bức xạ đẳng
hướng tương đương

2.69

ES

2.70

2.71

2.72

FTP

2.75

FCC

2.79

FDM

2.73 File Transfer Protocol
2.76 Federal
Communications
2.77 Commission
2.80 Frequnecy Divison
2.81 Multiplexing

2.74 Giao thức truyền tệp
2.78 Ủy ban truyền thông liên
bang (Hoa Kỳ)

2.83

GEO

2.84

Geostationary Orbit

2.85

Quỹ đạo địa tĩnh

2.86

GSC

2.87

Global Satellite alliance

2.88

Liên minh vệ tinh toàn cầu

2.89

GSO

2.90

Geostatinary Earth Orbit 2.91

2.92
S

GPR

2.94

Dịch vụ vơ tuyến gói chung

2.95

GTS
GWS
HEO
IOL
IP

2.98
đất
2.101
2.104
2.107
2.110

Hệ thống con thu phát mặt

2.99
2.102

2.105
2.108

2.93 General Packet Radio
Service
2.96 Ground Tranceiver
2.97 Subsystem
2.100 Gateway Subsystem
2.103 Highly Elliptical Orbit
2.106 Inter Orbit Links
2.109 Internet Protocol
2.112 American Defense
Research Institute
2.118 Low Earth Orbit

2.113 Viện nghiên cứu Quốc
phòng Mỹ
2.116 Các tuyến kết nối giữa các
hệ thống với nhau
2.119 Quỹ đạo mặt đất tầm thấp

2.121 Mobile Communication
2.122 Terminal
2.125 Medium Earth Orbit

2.123 Thiết bị đầu cuối truyền tin
di động
2.126 Quỹ đạo mặtđất tầm trung

2.128 Minimum Shift Keing

2.129 Khóa dịch tối thiểu

2.130 NCC

2.131 Network Control Center

2.132 Trung tâm điều khiển mạng

2.133 NMS
2.136

2.134 (Network Management
Station

2.135 Trạm quản lý mạng

2.111 IDA
2.114
ISL
2.117 LEO
2.120 MCT
2.124
MEO
2.127 MSK

Earth Station

2.115 Inter System Links

Trạm mặt đất

2.82 Ghép kênh phân chia theo
tân số

Quỹ đạo địa tĩnh

Hệ thống con cổng chính
Quỹ đạo e-lip tầm cao
Giữa các quỹ đạo với nhau
Giao thức internet


2.137 PLM
N
2.140 PRK
2.143 QAM

2.138 Public Land Mobile
Network
2.141 Phase Reverse Keying

2.139 Mạng di động mặt đất cơng
cộng
2.142 Khóa đảo pha

2.144 Quadrature Amplitude

2.146 Điều chế biên độ cầu
phương

2.145 Modulation

2.147 SCC 2.148 Satellite Control Center
2.150 SCPC 2.151 Single Channel Per
Carrier
2.153 SDL 2.154 Syschronous Data Link
C
Communication

2.149 Trung tâm điều khiển vệ
tinh
2.152 Truyền đơn trên sóng mang

2.156 SL

2.157 satellite

2.158 Vệ tinh

2.159 SNM
C

2.160 Service Provider
Network Management Center

2.161 Trung tâm quản lý mạng
cung cấp dịch vụ

2.162 TCP

2.163 Transmission control
protocol

2.164 Giao thức điều khiển truyền

2.165 S-

2.168 Mạng thông tin cá nhân

PCN

2.166 Satellite - Personal
2.167 Communication

2.169 SPD

2.170 Saturated Power

Network:
Density

2.172 SSPA 2.173 Solid State Power

2.155 Giao thức truyền dữ liệu
đồng bộ

vệ tinh
2.171 Mật độ thơng lượng cơng

suất bão hồ
2.174 khuếch đại dùng bán dẫn

TCH/E

Amplifier
2.176 Satellite - Traffic
Channels
2.179 Satellite Eight - Rate
Traffic Channel

2.181 S-

2.182 Satellite Full - Rate

2.184 Kênh lưu lượng vệ tinh

Traffic
2.183 Channel
2.186 Satellite Half - Rate
Traffic
2.187 Channel
2.190 Satellite Quater - Rate
Traffic
2.191 Channel

toàn tốc độ

2.175 S-

TCH
2.178 S-

TCH/F
2.185 S-

TCH/H
2.189 S-

TCH/Q
2.193

2.177 Kênh lưu lượng vệ tinh
2.180 Kênh lưu lượng vệ tinh

1/8 tốc độ

2.188 Kênh lưu lượng vệ tinh

1/2 tốc độ
2.192 Kênh lưu lượng vệ tinh

1/4 tốc độ


2.194 TCE

2.195 Traffic Channel

Equipment

2.198 Time Division
2.197 TDM
Multiple
2.200 TVR 2.201 Television Receiver
O
Only
2.203 TWT 2.204 Travelling Wave Tube
A
Amplifier
2.206 VSA 2.207 Very Small Aperture
Terminal
T

2.196 Thiết bị kênh lưu lượng
2.199 Ghép kênh phân chia theo

thời gian
2.202 Chỉ dùng thu sóng truyền
hình
2.205 Khuếch đại dùng đèn
sóng chạy
2.208 Thiết bị đầu cuối có khẩu
độ rất nhỏ


2.209

DANH MỤC BẢNG BIỂU

2.210.............................................................................................................................

2.211.............................................................................................................................
2.212............................................................................................................................. Bả
ng 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
2.213.............................................................................................................................
2.214.............................................................................................................................


2.215

DANH MỤC HÌNH VẼ

2.216.............................................................................................................................
2.217.............................................................................................................................


11

2.218

PHẦN MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
2.219

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.
2.220

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.
2.221

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 trên trái


12

đất, kể cả những nơi khó khăn về địa hình mà không thể tiếp cận internet bằng cách
thông thường được.
2.222Bản thân tác giả là một người đang công tác trong ngành viễn thơng, thuộc
Tập Đồn Bưu Chính Viễn Thơng Việt Nam. Khi chọn đề tài báo cáo luận văn tốt
nghiệp chương trình Thạc sỹ chun 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:
2.223“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
2.224

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 OC192c (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.
2.225 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


13

cư nông thôn thay thế dịch vụ internet dial-up, ADSL. Năm 2013, bốn vệ tinh của chòm
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 chòm 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
2.226

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
2.227 Nghiên cứu lý thuyết, thu thập thông 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
2.228

Nội dung của luận văn được thể hiện qua 3 chương:

2.229 Chương 1: Tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh băng rộng truy cập internet.
2.230Chương này sẽ giới thiệu tổng quan về thông tin vệ tinh và các hệ thống
thông tin vệ tinh trên thế giới.
2.231Tập trung nghiên cứu lý thuyết sơ đồ tổng quát, nguyên lý hoạt động căn
bản của hệ thống thông tin vệ tinh.
2.232Các hệ thống ứng dụng cho Internet vệ tinh băng thơng rộng.
2.233

Chương 2: Nhiễu, can nhiễu và tính tốn dự trữ tuyến

2.234Chương 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.
2.235Tính tốn dự trữ tuyến nhằm nâng công suất đầu phát và đầu thu, giảm
thiểu nhiễu, để có một đường truyền với kết quả thu phát là tốt nhất.
2.236Chương 3: Giao thức trong thông tin vệ tinh băng thông rộng truy cập


14

Internet
2.237Chương 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

2.238
trong
Với
thời
tốc
gian
độđề
phát
khơng
triển
xa internet
sắp
cơng
tới,
nghệ
internet
như
hiện
vệcứu
nay,
tinh
hy
băng
vọng
thơng
Nam.
Việc
rộng
chọn
được

triển
tài
này
khai
để
phổ
tìm
biến
hiểu
trên
nghiên
tồn
lãnh
cónắm
thổ
một
Việt
ý
nghĩa
và
làm
rất
chủ
quan
cơng
trọng
nghệ
trong
khi
việc

chủ
vệ
động
tinh
tiếp
băng
cận,
rộng
được
bắt
triển
khai
tại
Việt
Nam.


2.239
2.240

Chương 1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG
THÔNG RỘNG TRUY CẬP INTERNET
2.241 • •

1.1 MỞ ĐẦU
2.242 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 thông 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
2.243

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).
2.244

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:
2.245

- Vùng phủ sóng của vệ tinh khá rộng, chỉ cần ba vệ tinh địa tĩnh có thể

phủ sóng tồn cầu.
2.246

- Thiết bị phát sóng dùng trong hệ thống truyền tin vệ tinh chỉ cần công

suất bé.
2.247

- 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.
2.248

- Hệ thống truyền tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau: thoại

và phi thoại, thăm dò 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...
2.249

- Thông tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất,

trong lúc các phương tiện truyền thông khác không thể hoạt động thì duy nhất chỉ có hệ
thống truyền tin vệ tinh hoạt động.
2.250

- 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.
2.251 Tuy vậy, thơng tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm, đó là:
2.252

- Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo là khá lớn và cơng

nghệ phóng cũng như việc sản xuất thiết bị khơng phải nước nào cũng làm được.
2.253

- Bức xạ của sóng vô tuyến thông tin vệ tinh bị tổn hao trong mơi 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.
2.254

- 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.
2.255

- 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.
2.256

Hình 1.1 mơ tả ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng tồn cầu.

2.257
2.258
2.259 Hình 1.1 Ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng tồn cầu
2.260
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 mơ
tả hai phân đoạn của một hệ thống truyền tin vệ tinh.
2.261 1.2.2 Cấu trúc tổng quát một hệ thống thông tin vệ tinh
2.262
2.263
2.264 Hình 1.2 Mơ tả cấu trúc tổng qt một hệ thống truyền tin vệ tinh
2.265

2.266

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...
2.267

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 toàn tuyến, trong đó bao gồm cả kỹ thuật
điều chế và mã hoá được sử dụng.
2.268

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.
2.269

2.271 2.270 Hình 1.3 Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản
2.272 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 công 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.
2.273

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:
2.274

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 cơng suất phát cho tuyến
xuống có u 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.
2.275

2 - 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. 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.
2.276

Ngoài hai nhiệm vụ chủ yếu trên, thông thường vệ tinh cịn có một số chức

năng khác. Ví dụ, đối với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét 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.
2.277Phần tải của các vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ
thuật sau:
2.278- Dải tần công tác;
2.279- Số lượng bộ phát đáp;
2.280- Độ rộng dải thơng của mỗi bộ phát đáp;
2.281- Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống;
2.282- Công 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;
2.283- Mật độ thơng lượng cơng suất bão hoà tại anten thu của vệ tinh (SPD:
Saturated Power Density);
2.284- Hệ số phẩm chất (G/T) của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng
hoặc giá trị cực đại;


2.285- Vùng phủ sóng u cầu;
2.286- Cơng suất đầu ra của bộ khuếch đại cơng suất phát;

2.287- Cấu hình dự phịng cho máy thu và bộ khuếch đại cơng suất phát.
2.288

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.
2.289
2.290

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 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).
2.291

Trạm mặt đất của hệ thống thơng tin vệ tinh (ES - Earth Station) có hai

chức năng của yếu, đó là:
2.292

- 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.
2.293

- 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.
2.294

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.
2.295


2.297 2.296
2.298

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:

2.2991. Phân hệ anten-phi đơ;
2. Phân hệ thu;
3. Phân hệ phát;
4. Phân hệ ghép kênh và giao diện;
5. Phân hệ bám vệ tinh và điều khiển;
2.300Dưới góc độ phân tích tín hiệu, trạm mặt đất bao gồm năm phân hệ sau:
2.3011. Phân hệ anten;
2.3022 . Phân hệ tần số vô 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.
2.303

Hình 1.5 mơ tả sơ đồ khối chức năng một trạm mặt đất đơn giản làm nhiệm

vụ cả
2.304 thu và phát.
2.305

2.307 2.306 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
2.308 • • “ “ • “ •
2.309 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.


2.310 Bảng 1.1: Phân định băng tần cho các hệ thống thông tin vệ tinh
2.311 Băng tần
2.313 P
2.315 L

2.333

2.317 S
2.319 C
2.321 X
2.323 Ku
2.325 Ka
2.327 Q
2.329 V
2.331 W

2.312 Tần số
(MHz)
2.314 225 - 390
2.316 390 - 1550
2.318
1550
3900
2.320

3900
8500
2.322
8500
1090
2.324 1090 - 17250
2.326
17250 36000
2.328
36000 46000
2.330
46000 56000 56000 2.332
100000

1.3 NGUYÊN LÝ CĂN BẢN CỦA HỆ THỐNG THƠNG TIN VỆ TINH
1.3.1
Ngun lý của thơng tin vệ tinh
2.334 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.
2.335 Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là:
2.336 - Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất.
2.337 - 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.

2.338
2.339 Hình 1.6 Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh.
1.3.1.1Quỹ đạo cực tròn
2.340

Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ


tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng tồn cầu của dạng quỹ đạo này
đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lược quét tất cả các vị trí trên mặt đất. Dạng
quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên
và các vệ tinh do thám. Nó ít được sử dụng cho thơng tin truyền hình vì thời gian xuất
hiện ngắn.
1.3.1.2Quỹ đạo elip nghiêng
2.341

Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao

mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm
là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao.
1.3.1.3Quỹ đạo xích đạo trịn
2.342

Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và là

dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thì
dạng quỹ đạo này sẽ lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin.
2.343

2.345
2.346
2.347

+ Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit)

2.344
Hình 1.7 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh.
Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo trịn ở độ cao khoảng

36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất
24h. Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó
theo hướng Đơng cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên
khi quan sát từ mặt đất, do đó nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh. Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh
có thể đảm bảo thơng tin ổn định liên tục nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp
dùng làm vệ tinh thông tin.
2.348

Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có


thể thiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một
hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng một mạng thơng tin trên tồn thế giới.
2.349

Ngồi ra người ta cịn có 2 loại quỹ đạo khác:

2.350

+ Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)

2.351

Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ đạo là

5 đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ. Ứng dụng cho thông tin di động

hay thông tin radio. Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng tồn cầu.
2.352

+ Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit)

2.353

Độ cao điển hình của dạng quỹ đạo này là 160 đến 480 km, nó có chu kỳ

90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng dưới 30 phút. Việc bố trí các vệ tinh
LEO gần nhau có thuận lợi là thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi về là rất ngắn.
Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu giữa các mạng
và loại hình hội thoại vơ tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn. Nhưng hệ
thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt địa cầu.
1.3.2
2.354

Các đặc điểm của thông tin vệ tinh:

Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến

nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau. Các ưu điểm chính của thơng tin vệ tinh so với
các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thống
chuyển tiếp viba số là:
2.355 - Có khả năng đa truy nhập.
2.356 - Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tỉnh là có thể phủ sóng tồn
cầu.
2.357 - Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thơng tin băng rộng.
2.358 - Có thể ứng dụng cho thơng tin di động.
2.359 - Thích hợp với dịch vụ truyền hình

2.360 - Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt trong thơng tin
xun lục địa.
2.361

Sóng vơ tuyến điện phát đi từ một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh có thể bao

phủ hơn 1/3 toàn bộ bề mặt trái đất, nên những trạm mặt đất đặt trong vùng đó có thể
thơng tin trực tiếp với bất kỳ một trạm mặt đất khác trong vùng qua một vệ tinh thông
tin.
2.362

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 được gọi là đa truy nhập. Nói cách khác đa truy nhập


là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất.
1.3.3

Hệ thống thông tin vệ tinh cơ bản

2.363

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần cơ bản:

2.364

- Phần trên không là vệ tinh và các thiết bị liên quan.

2.365

- Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất.
2.366

2.368
2.369

2.367 Hình 1.8 Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ tinh
Trong đó vệ tinh đóng vai trị lặp lại tín hiệu truyền giữa các trạm mặt đất,

thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh là kỹ thuật truyền dẫn mà trong đó mơi trường truyền
dẫn là khơng gian vũ trụ với khoảng cách đường truyền khá dài. Tại đây ta cũng gặp lại
một số vấn đề đối với một bài toán truyền dẫn, đó là các vấn đề điều chế tạp âm và nhiễu
đường truyền, đồng bộ giữa hai đầu thu phát.
2.370

Hình vẽ là một ví dụ đơn giản về liên lạc giữa hai trạm mặt đất thông qua

vệ tinh thông tin .
2.371

Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (Up

link) và đường từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (Down link). Hầu hết,
các tần số trong khoảng 6GHz hoặc 14GHz được dùng cho đường lên và tần số khoảng
4GHz hoặc 11GHz cho đường xuống.