Một số vấn đề trong xác định băng thông và thiết kế đường truyền thông tin vệ tinh

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.59 MB, 13 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Vũ Thành Nam

MOT SO VAN ĐÈ TRONG XÁC ĐỊNH BANG THONG

VA THIET KE DUONG TRUYEN THONG TIN VE TINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

Mã số: 60.52.70.08

TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ

HÀ NỘI - 2014

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG

Người hướng dẫn khoa học: ...- 5-5-2:

Phản biện 1: ...

Phản biện 2:_...-.c c2 S21 vn SH vs v*

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng

Vào lúc: ... giờ ... ngày ... tháng ... năm...

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thông

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

MỞ ĐẦU

Thông tin vệ tinh là kết quả nghiên cứu của hai lĩnh vực công

nghệ truyền thông và không gian vũ trụ cho phép sử dụng hệ thống

vệ tinh địa tĩnh (GSO) vào cung cấp các dịch vụ viễn thông tới khắp

nơi trên bề mặt trái đất [4], [8], [10]. Việc đưa hai vệ tỉnh Vinasat 1

và Vinasat 2 vào cùng hoạt động trong thời gian ngắn chứng tỏ

những tiềm năng lớn trong việc sử dụng phương tiện truyền tin qua

không gian. Dé đáp ứng nhu cầu khai thác những ưu điểm và lợi thé

của hệ thống vệ tinh dia tinh cần xây dựng mạng lưới thơng tin trạm mặt đất có thiết kế phù hợp với các mục đích khác nhau [1], [2], [5]. [8].

Thiết kế đường truyền thông tin trạm mặt đất - vệ tinh là một

nhiệm vụ có ý nghĩa đầu tiên khi quy hoạch xây dựng mạng lưới.

Xác định đúng phương pháp phân tích sẽ đảm bảo tính khoa học và

chính xác. Tuy nhiên, các cơng thức tính tốn được cơng bố trong

các tài liệu về thông tin vệ tinh thường ở dạng tổng quát cho nhiều

loại hệ thống, nhiều thông số đặc trưng của thiết bị chưa được thể

hiện dẫn đến việc tính tốn chưa mang tính chính xác cao. Trên cơ sở nghiên cứu nguyên lý định cỡ cùng những thông tin về các thiết bị sẽ

cho phép xây dựng quy trình thiết kế có ý nghĩa thực tiễn. Từ đó sẽ vận

dụng linh hoạt và tiến tới có thể tự xây dựng chương trình của riêng

mình cho các hệ thống thông tin vệ tinh khác [3], [5], [7] - [13].

Đề tài “Một số vấn đề trong xác định băng thông và thiết kế

đường truyền thông tin vệ tỉnh” được chia thành ba chương với các

nội dung sau:

Chương 1: Cung cấp thơng tin về q trình hình thành va phát triển của vệ tinh nhân tạo gồm các quy luật vật lý chuyển động trong

không gian, các phương pháp đa truy nhập cơ bản cũng như các kỹ

thuật hiện đại được sử dụng và phát triển khi truyền tin qua hệ thống

vệ tinh địa tĩnh. Ngồi ra cịn đề cập và tìm hiểu một số vấn đề thuộc

sự quản lý quốc tế.

Chương 2: Nội dung tập trung giới thiệu các thiết bị trong phân hệ trạm mặt đất. Bên cạnh những thông tin về chức năng, kết nối vật lý giữa các khối thiết bị cịn tóm lược những đặc điểm kỹ thuật trong quá trình hoạt động của chúng. Đồng thời đưa ra những kiến trúc kết nối giữa các trạm thơng tin mặt đất, tìm hiểu một số mơ hình kênh truyền được hình thành khi kết hợp câu hình và phương thức đa truy

nhập được trình bày trong chương đầu tiên.

Chương 3: Tập trung vào bài tốn xác định băng thơng trong

mối liên hệ với phương pháp thiết kế đường truyền vệ tỉnh - trạm mặt đất. Nghiên cứu phương pháp thiết kế, phân tích quy trình tính

tốn để tìm ra những cơng thức thể hiện mối liên hệ chặt chẽ giữa

các thông số đầu vào và đầu ra. Từ đó có thể xây dựng chương trình

thiết kế có tính ứng dụng cao.

Do đề tài liên quan đến nhiều nội dung cần có những nghiên cứu chun sâu nên các phần được trình bày tóm lược với những thơng tin chính, khuyến nghị có sự cập nhật cùng chú thích rõ ràng.

Hà Nội, ngày 19 tháng 8 năm 2014

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

CHƯƠNG 1: CƠ SỞ VE THễNG TIN VỆ TINH

1.1. Giới thiệu

Vệ tỉnh cung cấp một số tớnh năng khụng sẵn cú trong cỏc hệ

thống truyền thụng khỏc bởi vệ tỉnh hoạt động trong khụng gian ở

cỏc quỹ đạo khỏc nhau. Chương đầu tiờn giới thiệu về những quy luật chuyển động của thực thộ đặt trong khụng gian, cỏc phõn hệ trong hệ thống thụng tin vệ tỉnh cựng những kỹ thuật đa truy nhập, là

những sở cứ khoa học làm tiền đề cho cỏc nghiờn cứu tiếp sau. Kết

quả phõn tớch đối với từng phương phỏp gúp phần cung cấp những thụng tin chỉ tiết cho phộp việc lựa chọn cụng nghệ phự hợp với mục đớch và xu thế phỏt triển của loại hỡnh truyền tin này.

1.2. Lịch sử ra đời thụng tin vệ tinh, vệ tinh địa tinh

1.2.1. Lịch sử ra đời

1.2.2. Cỏc định luật Kepler1.2.3. Quỹ dao vệ tinh

Vệ tinh hoạt động tai một trong bốn quỹ đạo như trong hỡnh 1.1.

Quỹ đạo địa nh Quỹ đạo thấp.

(GSO hoặc GEO) (LEO)

Hỡnh 1.1: Cỏc quỹ đạo vệ tỉnh nhõn tạo

1.2.4. Cỏc phõn hệ trong hệ thụng thụng tin vệ tinh

1.2.4.1. Phõn hệ khụng gian

1.2.4.2. Phõn hệ mặt dat

1.3. Phương phỏp đa truy nhập

1.3.1. Cau hỡnh da truy nhập

Da truy nhập (MA) là quỏ trỡnh phổ biến bảo đảm việc sử dụng

dung lượng thớch hợp và độ khả dụng của đường truyền [10, tr.267 -295]. Xem xột bốn cầu hỡnh SCPC, MCPC như trong hỡnh 1.2.

BB —— Canier —b>

(a) đỡ

Single channel per cartier Multiple channels per carrier

‘Single camier par transponder Mutiple carriers per transponder

Mutiple channels per carrier Multiple channels per carrierSingle camer par transponder Mulipio carriers per transponder

Hỡnh 1.2: Cấu hỡnh truy nhập

1.3.2. Phương phỏp da truy nhập cơ bản

1.3.2.1. Đa truy nhập phõn chia theo tần số FDMA.

Là phương phỏp được mụ tả trong hỡnh 1.3. Mỗi trạm mặt đất

được phõn bộ băng con b trong toàn dai băng tần B của bộ phỏt đỏp.

Việc phõn bổ phải đảm bảo tương thớch với băng thụng súng mang phụ thuộc vào tốc độ bit, loại điều chế và mó sửa lỗi đường truyền.

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

tan số + _ Mỗi trạm được ấn

sing) (Ss nh một bang tân

Băng 2 { Trạm 2 + ˆ Các tram thu phd

1.3.2.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA

Là kỹ thuật xuất hiện thứ hai sau FDMA được biéu diễn trong

hình 1.4, các sóng mang được phân cách bởi thời gian trong bộ phát

đáp thay vì tần số như trong FDMA.

tân số +

+ _ Mỗi trạm được gần một.

_ time slot đường lên cho

2 các cum burst (packet)+ Các cụm burst được

xếp xen kẽ nhau trênđường truyền xuống

Slott, Stott, Stott,

chỉcho truyén dẫn số Đ

Tram2 ® N tê Đường xuống

Tram 3 .

Hinh 1.4: Da truy nhip TDMA

Xem xét hệ thống PCM/TDM/PSK/TDMA ở hai khía cạnh

hiệu suất khung và dung lượng hệ thống.

1.3.2.3. Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA.

Là sự kết hợp của cả sự phân tách tần số và thời gian. Đây là kỹ

thuật phức tạp nhất khi thực hiện, yêu cầu một vài mức đồng bộ ở cả

phía thu và phát.

«| i va TDMA

+ Mỗi tam đường xuống là một

sing? { mm time slot và một bang tân

trong day mã hóa

Săng t[ m m + Bộthu phải biết mã dé nhận

1.3.2.4. Phương pháp đa truy nhập thứ yếu

Bên cạnh những phưng thức đa truy nhập cơ bản, hệ thống thông tin vệ tỉnh còn sử dụng các kỹ thuật truy nhập thứ yếu dựa trên

các kỹ thuật cơ bản trên [8, mục 1.6.3 và 4.6.4; 10, chương 10].

¢ Đa truy nhập ấn định theo yêu cầu (DAMA)

e Đa truy nhập phân chia khơng gian (SDMA)

(SS/TDMA)

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

Cơ sở về thơng tin vệ tỉnh tóm lược những thông tin về quy luật

vật lý áp dụng các quỹ đạo chuyên động của vệ tỉnh nhân tạo, các

loại cấu hình kênh sóng mang được hỗ trợ bằng những phương thức

truyền tin lên bộ phát đáp. Tìm hiểu các kỹ thuật đa truy nhập thứ

yếu được áp dụng vào hệ thống vệ tinh địa nh hiện đại. Bên cạnh việc đề cập các dịch vụ cung cấp bởi hệ thống vệ tỉnh trong sự kết

hợp băng tần được quy định bởi tô chức viễn thông quốc tế. Chương

mở đầu cũng xem xét chức năng, nhiệm vụ thiết yếu của hai phân hệ

không gian và mặt đất. Đặc biệt hơn, phân hệ mặt đất sẽ được nghiên

cứu chỉ tiết trong chương 2.

CHƯƠNG 2: MẠNG THÔNG TIN VỆ TINH VSAT

2.1. Giới thiệu

Trạm mặt đất gồm các thiết bị được mô tả trong hình 2.1 va

được chuẩn hóa bởi ITU.

Giám sắt Tim mắt thơng gió.. Ì [ — Ngn,UPS,

Điều khiến ltiếp dja, telecom, va tiện ich

Kiến trúc của trạm VSAT gồm hai khối ODU và IDU được kết nối qua cáp trung tần. IDU là giao diện với các đầu cuối người dùng. 2.2.1.1. Khối thiết bị ODU

2.2.1.2. Khối thiết bị IDU

2.2.2. Sơ đồ khối, cấu hình và chức năng chính Các phân hệ trong trạm VSAT gồm:

2.2.2.1. Phân hệ anten

Dùng để thu và phát tín hiệu vơ tuyến. Được đặc trưng bởi tần

số hoạt động, đường kính chảo phát xạ, loại phân cực hỗ trợ, nhiệt tạp âm. Ngồi ra cịn có thể có các bộ phận hỗ trợ đo bám, gương

phản xạ....

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

2.2.2.2. LNA

Là thiết bi khuếch đại tap âm thấp đặt ngay sau phân hệ anten, vì vậy có hệ số tạp âm nhỏ. Thơng số quan trọng là nhiệt tạp âm khi

hoạt động.2.2.2.3. HPA

Là thiết bị khuếch đại công suất lớn. Phụ thuộc vào loại trạm

VSAT là remote hay Hub mà hỗ trợ công suất tương ứng. Hiện tại có

ba loại khuếch đại dựa trên cơng nghệ sản xuất khác nhau được sản

xuất cho từng ứng dụng thích hợp gồm: TWTA, Klystron, SSPA. 2.2.2.4. Thiết bị viễn thông

2.2.2.5. Thiết bị kết nối với mạng dịch vụ mặt đất

Trong kiến trúc hình lưới, các trạm VSAT có khả năng liên lạc trực tiếp với nhau qua sóng mang vơ tuyến như trong hình 2.4.

2.3.2. Mạng hình sao Star

Trong mạng hình sao 2.7, mỗi node chỉ có thể liên lạc với trạm

xử lý trung tâm duy nhất. Muốn trao đồi với nhau các trạm dau cuối

phải thực hiện qua hai bước.

VSAT kênh VSAT

Đường truyền từ trạm mặt đất tới trạm Hub qua bộ phát đáp được

gọi là Inbound hoặc Inroute. Hướng ngược lại được gọi là Outboundhoặc Outroute.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

2.3.2.1. FDMA - SCPC inbound/FDMA - SCPC outbound2.3.2.2. FDMA - SCPC inbound/FDMA - MCPC outbound

Hinh 2.10: FDMA - SCPC inbound/FDMA - MCPC outbound

2.3.2.3. FDMA - SCPC inbound/TDM - MCPC outboundinbound ‘outbound

LN, Băng thêng

bổ phát đáp

LYN NG HH

VSATS (2) & eo of WV

Hình 2.11: FDMA - SCPC inbound/TDM - MCPC outbound

2.3.2.4. FDMA - MCPC inbound/TDM - MCPC outbound2.3.2.5. TDMA inbound/TDM - MCPC outbound

inbound outbound

vsaTs/2\eae |

Hình 2.13: Mang hình sao với TDMA

2.3.2.6. FDMA - TDMA inbound/FDMA - MCPC outbound

Nội dung chương đã giới thiệu khá chỉ tiết các đơn vị trong

phân hệ trạm mặt đất. Từ đó sẽ có cái nhìn tổng thể mạng lưới khi

thực hiện lựa chọn sản phẩm đảm bảo yếu tố kỹ thuật. Cùng với những thơng tin về câu hình và kỹ thuật đa truy nhập kết hợp với những kiến trúc mạng cho phép tạo ra nhiều mơ hình kênh truyền

đáp ứng các mục đích sử dụng tài ngun khác nhau. Ngồi ra, luận

văn cịn đề cập các thơng số cơ bản cho từng chủng loại thiết bị sẽ được nghiên cứu trong nội dung ở chương tiếp theo.

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

CHUONG 3: THIẾT KE MẠNG VSAT

3.1. Giới thiệu

Công tác xác định băng thông kết hợp thiết kế đường truyền vật lý cho trạm VSAT với mục tiêu đảm bảo khả năng thực thi truyền tải

bằng sóng mang vơ tuyến ở tần số cao. Nghiên cứu tìm ra phương

pháp và nguyên tắc thiết kế đảm bảo tính khoa học và thực tế trên cơ sở nghiên cứu các tài liệu, bài báo chuyên ngành kết hợp với những

hiểu biết về các sản phẩm thực tiễn. Chỉ ra đầy đủ các tham số và phân

tích ý nghĩa vật lý thê hiện trong các cơng thức tốn học tham gia tính

tốn sẽ giúp tự xây dựng chương trình có tính chính xác thực tiễn.

3.2. Xác định băng thơng3.2.1. Dữ liệu sóng mang

Dựa vào nghiên cứu các phương pháp sửa lỗi đường truyền, mã hóa và phương thức điều chế sử dụng trong công nghệ

DVB-S/DVB-S2 xác định cach tính băng thơng sóng mang dựa trên dữ liệu người

dùng hoặc tốc độ symbol mà modem hỗ trợ [5, tr.130 - 156; 7, tr.161

3.3. Thiết kế đường truyền vô tuyến

Trên nguyên tắc đánh giá tỉ số giữa cơng suất tín hiệu và cơng suất tạp âm ứng với từng dịch vụ có tỉ lệ bit lỗi đặt ra như mơ tả

trong hình 3.1, người thiết kế phải xác định các thông số đầu vào

nhằm đưa ra các kết quả ảnh hưởng tới tín hiệu từ nơi phát đến nơi

thu, lựa chọn các thông số tối ưu nhất cho trạm mặt đất, tính tốn suy

hao trên đường truyền như suy hao trong khơng gian, dự đốn suy

hao do mưa Với những kết quả đạt được khi xác định băng thông

cùng với các thông số kỹ thuật của bộ phát đáp vệ tỉnh cho phép xác định các tham số trung gian tham gia vào quá trình thiết kế. Mục

đích cuối cùng nhằm chất lượng đường truyền tổng tuyến, mức độ tin

cậy dựa vào độ dự phòng tuyến, từ đó có những thay đồi, điều chỉnh hợp lý mà vẫn đảm bảo được độ tin tưởng cao nhất.

Xác định

u câu

cho kết nói vơ

tuyến Đối với từng

tuyến lên, tuyến xuống

Hình 3.1: Mơ tả ngun tắc thiết kế đường truyền

Các phép tính dựa trên các tham số hiện diện trên đường

truyền, thông số của vệ tinh cũng như trạm mặt đất sẽ xác định trong ba điều kiện sau [10, tr.241 - 263]:

e CI Sky: trời trong.

3.3.1. Modem

Dựa trên những công nghệ truyền dẫn với các tốc độ bit hỗ trợ,

phương thức điều chế và loại mã sửa lỗi mà các nhà sản xuất modem đưa ra những yêu cau tỉ lệ gói lỗi PER trong dai giá trị nhằm đảm

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Trường dữ liệu sẽ chứa các thông số sản xuất bộ phát đáp, quỹ

đạo của vệ tinh dé sử dung cho các phép tính xác định góc ngang của anten, suy hao đường truyền, cũng như yêu cầu công suất đối với

trạm mặt đắt...

3.3.3. Dữ liệu trạm mặt đất

Dữ liệu trạm mặt đất chứa các thông tin về phân hệ anten cũng như bộ thu của cả nơi phát và nơi thu được lựa chọn từ các thiết bị phù hợp

Nhiệt độ tạp âm hệ thống và hệ số phẩm chất bộ thu trạm thu trong điều kiện trời trong:

Dựa trên các quy ước quốc tế xác định tọa độ trạm mặt đất

phục vụ cho các phép tính liên quan.3.3.5. Suy hao trong khơng gian

Từ vị trí địa lý trạm mặt đất và vệ tỉnh sẽ xác định khoảng cách

giữa chúng, cho phép tính được suy hao trong khơng gian tự do. Bên

cạnh đó là suy hao qua tầng khí quyền.

3.3.6. Dự đốn suy hao do mưa

Suy hao do mưa được dự đốn dựa trên thơng tin cường độ mưa,

khoảng cách tuyến, tần số hoạt động và vị trí địa lý cũng như độ khả

dụng trên mơ hình đề xuất bởi ITU và khuyến nghị ITU-R P.618-11 [5,

tr.193 - 204; 10, tr.163 - 176; 12, tr.222 - 233]:

3.3.7. Quỹ đường truyền tuyến lên

Dựa vào giá trị hoạt động của bộ phát đáp xác định yêu cầu

HPA trạm mặt đất đảm bảo chính xác nhất trong cân bằng giữa băng thơng sóng mang và đường truyền vơ tuyến cho kênh Outbound và

3.3.8. Quỹ đường truyền tuyến xuống

Trong quỹ đường truyền xuống cần quan tâm tới tham số bị

ảnh hưởng trên đường truyền xuống như hệ số phẩm chất bộ thu trạm remote bị suy giảm trong điều kiện trời mưa [8, tr.198 — 203, 233

Dé xác định giá tri C/N của cả tuyến lên và tuyến xuống cần xác

định C/I của tổng các nguồn nhiễu [13, tr.139 - 147; 8, tr.219 - 225]:

3.3.10. Khuéch dai công suất trạm mặt đất

3.4. Xác định băng thông và thiết kế đường truyền trạm VSAT

3.4.1. Phương tiện hỗ trợ

Sử dụng chương trinh Visual Basic kết hợp cùng phần mềm Microsoft Excel dé xây dựng công cụ thiết kế. Đối tượng xử lý là các

cell tại các sheet, worksheet trong các workbook khác nhau.

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

View Irser: Format Debug Run

PP Microsoft Visual Basic - PERSONALXLSE - [Module (Ccde)]

Te] [BanamefycaEutror

‘TORM BANG THONG

MO FHONG TINEWith Selection.Validation

Suk Bandwdrh Celculater i!' Bancwicth Calculator Macro

yle:=x1ValidRlert Informa:Alercs:Fermuzad :="=$085:$589"

.Ad# Type:=x1Validareris:Cpera scr: =x2BevseenuBlank = TrueIgnore!nCe11Dzzpd2wn = TruengucTitle = *"

SERSRERE2 Zee cab hee

4n HH 1H aR Tea Baa

3.4.2. Tính tốn băng thơng

Có thé sử dụng hamSelection. Validation trong vịng lặp With -End With để tạo các cửa số thả xuống như trong hình 3.8 và 3.9 cũng

như sử dụng các hàm IF lồng nhau để tạo những phương án dữ liệu

mì Camer Symbol Rate

1) Carrier Info Rate

2 FEC Code Rate

13 Outroute Mode

144, DULIEU —CrrXmission Rate

-16| SONGMANG Threshold Ebt/No

3.4.3. Thiết kế đường truyền

Đường truyền vô tuyến là lớp vật lý trong mơ hình chuẩn hóa. Thiết kế đường truyền phải đảm bảo chất lượng tín hiệu với tỉ lệ lỗi bít ở mức chấp nhận (cho phép) được đánh giá qua tỉ số cơng suất sóng mang trên cơng suất tạp âm tổng tuyến dựa trên dữ liệu đầu vào

là những thông số thiết kế kỹ thuật của phân hệ vệ tinh, thông số của phân hệ anten trạm mặt đất ở cả đầu phát và đầu thu. Kết quả thu

được sẽ cho biết độ dự trữ đường truyền nhằm đưa ra công suất yêu cầu đối với thiết bị khuếch đại HPA. Các tham số chính được nêu

trong hình 3.10. Do vậy cần liệt kê đầy đủ và phân chia các tham số

</div>