Đồ án tốt nghiệp: MIMO cho vệ tinh quỹ đạo thấp”

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I - - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “ MIMO cho vệ tinh quỹ đạo thấp” Sinh viên thực : NGUYỄN PHẠM KHƯƠNG DUY Mã sinh viên : B17DCVT097 Lớp : D17CQVT01-B Khóa : 2017-2022 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN VIẾT MINH Hà Nội, tháng 12/2021 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Điểm:…………(Bằng chữ:……………) Ngày tháng năm 2021 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN Điểm:…………(Bằng chữ:……………) Ngày tháng năm 2021 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG BIỂU ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iii LỜI MỞ ĐẦU v CHƯƠNG TỔNG QUÁT HỆ THỐNG VỆ TINH QUỸ ĐẠO THẤP VÀ MIMO 1.1 Hệ thống Vệ tinh Quỹ đạo thấp 1.1.1 Hệ thống Truyền thông Vệ tinh 1.1.2 Quỹ đạo Trái đất Thấp 1.1.3 Vệ tinh Quỹ đạo Thấp 1.1.4 Một số hệ thống thông tin sử dụng vệ tinh quỹ đạo thấp 11 1.2 Truyền dẫn vô tuyến MIMO 13 1.2.1 Công nghệ MIMO 13 1.2.2 Lợi ích công nghệ MIMO 15 1.2.3 Sơ đồ khối 16 1.2.4 Biểu diễn kênh tín hiệu 17 1.2.5 MIMO mạng không dây 20 1.3 Kết luận 22 CHƯƠNG MIMO CHO VỆ TINH QUỸ ĐẠO THẤP 23 2.1 Đặc tính kênh vệ tinh quỹ đạo thấp 23 2.1.1 Suy hao 23 2.1.2 Tương quan không gian 25 2.1.3 Hiệu ứng Doppler 25 2.2 Giải pháp MIMO cho hệ thống thông tin vệ tinh quỹ đạo thấp 26 2.2.1 Vệ tinh cố định 26 2.2.2 Vệ tinh di động 28 2.3 Kết luận 31 CHƯƠNG HIỆU NĂNG CỦA GIẢI PHÁP LEO MIMO 32 3.1 Hệ thống LEO thông thường 32 3.1.1 Mơ hình hệ thống 32 3.1.2 Hiệu tần số 33 3.2 Giải pháp LEO MIMO đa vệ tinh 34 3.2.1 Mơ hình hệ thống 34 3.2.2 Lưu đồ giải thuật 37 3.2.3 Hiệu tần số 38 3.2.4 Đánh giá hiệu 38 3.3 Giải pháp MIMO đa chùm tia cho hệ thống LEO cỡ lớn 42 3.3.1 Mơ hình hệ thống 42 3.3.2 Thiết kế hệ thống 46 3.3.3 Đánh giá hiệu 48 3.4 Kết luận 55 KẾT LUẬN 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Truyền thông vệ tinh sở hạ tầng viễn thông Hình 1.2 Phân đoạn khơng gian cho mạng vệ tinh thông tin liên lạc Hình 1.3 Các thơng số liên kết liên kết vệ tinh thông tin liên lạc Hình 1.4 Ký hiệu dải tần số theo ký tự Hình 1.5 Ký hiệu dải tần số theo bước sóng Hình 1.6 Quỹ đạo vệ tinh Hình 1.7 Vệ tinh Quỹ đạo Thấp LEO Hình 1.8 Tốc độ liệu so với SNR số lượng ăng ten khác 14 Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống truyền thông MIMO 16 Hình 1.10 Kênh MIMO thực tế 19 Hình 1.11 Mạng di động MIMO 20 Hình 1.12 Mạng ad hoc 21 Hình 2.1 Dịch tần Doppler truyền thơng vệ tinh 26 Hình 2.2 Hệ thống MIMO MS phân cực kép × 29 Hình 2.3 Hệ thống MIMO MS phân tập khơng gian × 30 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống vệ tinh LEO sử dung FDMA 32 Hình 3.2 Mơ hình hệ thống LEO MIMO 34 Hình 3.3 Lưu đồ hệ thống LEO MIMO 37 Hình 3.4 So sánh dung lượng CDF 39 Hình 3.5 So sánh dung lượng CDF hai giá trị 1% 50% 40 Hình 3.6 Vùng bảo phủ vệ tinh LEO 42 Hình 3.7 Kiến trúc mảng ăng ten vệ tinh 43 Hình 3.8 Thiết kế vùng phủ sóng elip 46 Hình 3.9 Minh họa GoB tạo sổ mã DFT 2D 47 Hình 3.10 Lưới hình chữ nhật bao phủ ROI hình elip 50 Hình 3.11 Độ lợi loại ăng ten khác 51 Hình 3.12 Độ lợi ăng ten có lỗi góc 51 Hình 3.13 Độ lợi ăng ten lượng tử hóa dịch pha 52 Hình 3.14 SNR SINR ROI 52 Hình 3.15 Hiệu suất quang phổ bỏ qua giao thoa xét giao thoa 53 Hình 3.16 SNR theo trục 53 Hình 3.17 (a) Các vị trí vệ tinh khác chùm liên kết (b) Suy giảm SNR theo thời gian chuyển động vệ tinh 54 i DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Quỹ đạo vệ tinh Bảng 2.1 Suy hao mưa số địa điểm, 0,3% thời gian 23 Bảng 2.2 Suy hao hấp thụ khí tính theo dB 24 Bảng 3.1 Tham số mô hệ thống LEO MIMO đề xuất 39 Bảng 3.2 Tham số hệ thống LEO MIMO khổng lồ dạng chùm tia 49 ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu Gauss trắng cộng BS Base Station Trạm gốc CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc ELEO Equator Low Earth Orbit Quỹ đạo Trái đất Thấp Xích đạo FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FS Fixed Satelite Vệ tinh cố định GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu GSO Geostationary Orbit Quỹ đạo Địa tĩnh HEO Highly Elliptical Orbit Quỹ đạo Cao hình Elip LEO Low Earth Orbit Quỹ đạo Trái đất Thấp LMS Land Mobile Satellite Hệ thống di động vệ tinh mặt đất LoS Line of Sight Đường truyền trực tiếp MEO Medium Earth Orbit Quỹ đạo Trái đất Trung bình MIMO Multiple Input, Multiple Output Nhiều đầu vào, nhiều đầu MS Mobile Satelite Vệ tinh di động iii MST Mobile Satelite Terminal Thiết bị đầu cuối vệ tinh di động QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên độ cầu phương ROI Regions of Interest Vùng bao phủ SGN Satellite News Gathering Thu thập tin tức vệ tinh SHF Super High Frequency Tần số siêu cao SIMO Single Input, Multiple Output Một đầu vào, nhiều đầu SINR Signal to Interference & Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu cộng SISO Single Input, Single Output Một đầu vào, đầu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu nhiễu TT&C Tracking, Telemetry and Command Bám, Đo từ xa Điều khiển TTC&M Tracking, Telemetry, Command and Bám, Đo từ xa, Điều khiển Giám sát Monitoring UHF Ultra High Frequency Tần số cực cao UPA Uniform Planar Array Mảng phẳng đồng UT User Terminal Thiết bị đầu cuối người dùng VHF Very High Frequency Tần số cao VLF Very Low Frequency Tần số thấp VSAT Very Small Aperture Terminal Thiết bị đầu cuối nhỏ iv LỜI MỞ ĐẦU Truyền thông vệ tinh từ trước đến nay, nghiên cứu, ứng dụng hệ thống thơng tin di động, truyền hình vệ tinh, radio, phát sóng trực tiếp, v.v Phần lớn vệ tinh nhân tạo ngồi khơng gian thuộc quỹ đạo trái đất thấp LEO Ngoài ra, MIMO cung cấp cải thiện mạnh mẽ hiệu suất phổ tốc độ liệu mạng truy cập vô tuyến Việc áp dụng công nghệ MIMO thông tin vệ tinh, cụ thể hệ thống vệ tinh LEO cung cấp nhiều ưu điểm vượt bậc, chẳng hạn như: độ lợi ghép kênh không gian, độ lợi đa người dùng, độ lợi mảng, giảm nhiễu, v.v Chính vậy, qua đồ án này, em muốn tìm hiểu đồng thời đánh giá hiệu giải pháp LEO MIMO Đồ án em gồm có ba chương:  Chương 1: Tổng quát hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp MIMO  Chương 2: MIMO cho vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO MIMO)  Chương 3: Hiệu giải pháp LEO MIMO Em xin cam đoan đồ án công trình nghiên cứu riêng thân hướng dẫn TS Nguyễn Viết Minh Các số liệu kết nghiên cứu đưa đồ án trung thực không chép hay sử dụng kết đề tài nghiên cứu tương tự Tất giúp đỡ việc xây dựng đồ án trích dẫn cách đầy đủ đồng thời ghi rõ ràng nguồn gốc Do kiến thức khả em hạn chế, nên đồ án tốt nghiệp khơng tránh khỏi sai sót Em mong nhận góp ý thầy, cô bạn để nội dung đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Nguyễn Viết Minh, giảng viên Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng, hướng dẫn em chun môn, phương pháp làm việc, đôn đốc tiến độ để em xây dựng hồn thành nội dung đồ án theo kế hoạch Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy cô, bạn Khoa Viễn thông I, Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng giúp đỡ, tạo điều kiện cho em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Nguyễn Phạm Khương Duy v Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương  Tham số đường truyền Suy hao đường truyền bao gồm suy hao đường truyền không gian tự do, ký hiệu 𝐿𝑃𝑓𝑠 , suy hao 𝐿𝑃𝑎𝑡 khí Tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) viết dạng cường độ tín hiệu nhận (RSS) công suất nhiễu 𝜎 2: 𝑆𝑁𝑅[𝑑𝐵] = 𝑅𝑆𝑆[𝑑𝐵𝑤] − 𝜎 [𝑑𝐵𝑤] (3.22) đó: 𝑅𝑆𝑆[𝑑𝐵𝑤] = 𝑃𝑇𝑋 − 𝐿𝑃𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 + 𝐺𝑇𝑋 − 𝐿𝑃𝑎𝑡 − 𝐿𝑃𝑓𝑠 + 𝐺𝑅𝑋 (3.23) 𝜎 [𝑑𝐵𝑤] = 𝑇 + 𝑘 + 𝐵 (3.24) 𝑃𝑇𝑋 công suất phát, 𝐺𝑇𝑋 độ lợi ăng ten phát, 𝐿𝑃𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒 suy hao cáp ăng ten máy phát, 𝐺𝑅𝑋 độ lợi ăng ten thu, 𝑇 nhiệt độ nhiễu, 𝑘 số Boltzmann (bằng −228,6 dBW/ K/Hz) B băng thơng Suy hao đường truyền khơng gian tính: 𝐿𝑃𝑓𝑠 = 20 (𝑙𝑜𝑔10 (| 𝑥𝑠𝑎𝑡 − 𝑥𝑢 | ) + 𝑙𝑜𝑔10 (f) + 𝑙𝑜𝑔10 ( 4π )) c (3.25) với |𝑥𝑠𝑎𝑡 − 𝑥𝑢 | quãng đường truyền, f tần số c tốc độ ánh sáng  Tốc đợ góc vệ tinh hiệu ứng Doppler Chuyển động vệ tinh với tốc độ 𝑣𝑠𝑎𝑡 tạo tốc độ góc tương đối 𝑤𝑟𝑒𝑙 người sử dụng tín hiệu tần số f, hiệu ứng Doppler ∆𝑓𝑠𝑎𝑡 với biểu thức: ∆𝑓𝑠𝑎𝑡 =< 𝑣𝑠𝑎𝑡 , 𝑤𝑟𝑒𝑙 = √1 − | < 𝑣𝑠𝑎𝑡 , 𝑥𝑢 − 𝑥𝑠𝑎𝑡 𝑓 > |𝑥𝑢 − 𝑥𝑠𝑎𝑡 | 𝑐 𝑥𝑢 − 𝑥𝑠𝑎𝑡 𝑣𝑠𝑎𝑡 > |2 |𝑥𝑢 − 𝑥𝑠𝑎𝑡 | |𝑥𝑢 − 𝑥𝑠𝑎𝑡 | (3.26) (3.27) Hiệu ứng Doppler gây chuyển động vệ tinh ngày tăng bất đối xứng theo hướng chuyển động, cực đại nằm ranh giới dấu chân hình elip Bằng cách tạo quỹ đạo với nhiều vệ tinh, ta giảm hiệu Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 45 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương ứng Doppler tối đa, khoảng cách vệ tinh giảm, giảm kích thước vùng bao phủ theo hướng chuyển động Đối với tốc độ góc tương đối, hiệu ứng lõm đối xứng với cực đại bóng vệ tinh Do đó, mật độ tối đa khơng bị ảnh hưởng mật độ vệ tinh 3.3.2 Thiết kế hệ thống a) Thiết kế vùng phủ sóng Xét chịm LEO vệ tinh phân bố xung quanh mặt phẳng quỹ đạo 𝑁𝑝 với góc nghiêng 𝜃𝑜𝑝 , mặt phẳng có 𝑁𝑠 vệ tinh Mỗi vệ tinh bao phủ khu vực hình elip Hình 3.6 Từ góc độ hình học, để tham số hóa khu vực bao phủ vệ tinh, cần chọn phép chiếu lập thể tâm Trái đất minh họa Hình 3.8 (a) Điều cho phép sử dụng tọa độ Đề xem xét hình học Trái đất Về mặt tốn học, phép tham số hóa vùng bao phủ biến tọa độ Đề (x, y) thành hình cầu 𝑅𝑒𝑎𝑟𝑡ℎ Hình 3.8 Thiết kế vùng phủ sóng elip (a) Phép chiếu lập thể vùng phủ sóng vệ tinh (b) Minh họa quy trình thiết kế Để tính kích thước ROI hình elip, ta buộc chịm LEO bao phủ tồn Trái đất Do đó, tốn phẳng tương đương mà ta muốn giải bao phủ toàn bề mặt Trái đất hình elip có tâm đỉnh lưới hình chữ nhật với khoảng cách 𝜋𝑅𝑒𝑎𝑟𝑡ℎ /𝑁𝑠 chiều thứ 𝜋𝑅𝑒𝑎𝑟𝑡ℎ 𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑜𝑝 )/ 𝑁𝑝 chiều thứ hai Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 46 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Do hình elip lồi đối xứng theo hai trục, điều tương đương với hình elip thiết kế chứa điểm trung tâm lưới hình chữ nhật, minh họa Hình 3.8 (b) Điều kiện viết sau: ( 𝜋𝑅𝑒𝑎𝑟𝑡ℎ 𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑜𝑝 )/𝑁𝑝 𝜋𝑅𝑒𝑎𝑟𝑡ℎ /𝑁𝑠 )+( )≤1 𝑅𝑥 𝑅𝑦 (3.28) Ví dụ cặp bán kính đáp ứng điều kiện là: 𝑅𝑥 = √2𝜋𝑅𝑒𝑎𝑟𝑡ℎ /𝑁𝑠 , 𝑅𝑦 = √2𝜋𝑅𝑒𝑎𝑟𝑡ℎ 𝑐𝑜𝑠(𝜃𝑜𝑝 )/𝑁𝑝 (3.29) b) Thiết kế sổ mã Hình 3.9 Minh họa GoB tạo sổ mã DFT 2D với hệ số lấy mẫu Các chùm trực giao đánh dấu màu đỏ Các vectơ cột sổ mã DFT tạo lưới chùm (GoB) sử dụng để mở rộng tất hướng góc, minh họa Hình 3.9 cho mảng phẳng có 16 (mảng con) x phần tử ăng ten mảng Mục tiêu thiết kế chùm mẫu tương tự sổ mã, cho tập hợp ROI hình elip mơ tả phần trước Tùy thuộc vào vị trí người dùng hoạt động, số chùm hoạt động chọn từ tập hợp có sẵn sổ mã Ta xem xét cấu trúc sổ mã tiền mã hóa tương tự dựa DFT, giải pháp phổ biến hoạt động với mảng phẳng Trong trường hợp này, vectơ Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 47 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương phản hồi mảng chiều có pha tăng tuyến tính, giống cột ma trận DFT Do đó, kênh MIMO viết dạng vectơ đáp ứng mảng với cấu trúc Trong trường hợp này, tiền mã hóa dựa DFT phù hợp với cấu trúc kênh cung cấp độ lợi định dạng chùm tốt Mục tiêu hệ số lấy mẫu, cố định hệ thống 5G NR, để giảm thiểu suy hao định dạng chùm theo hướng chùm trực giao (suy hao phân dải) Bằng cách này, tính trực giao chùm nói chung bị có chùm nằm cách trực giao Hình 3.9 cho thấy tập hợp chùm trực giao đánh dấu màu đỏ hệ số lấy mẫu sử dụng chiều Xem xét sổ mã DFT lấy mẫu 2D cho mảng con, hệ số lấy mẫu mức O không cố định, cho phép điều chỉnh số lượng chùm chiếu sáng dấu chân có kích thước khác số tài nguyên RF định Để tạo sổ mã, cần lược bỏ DFT lấy mẫu hoàn chỉnh, giữ lại mẫu trỏ đến ROI hình elip Hệ số lấy mẫu mức sử dụng để điều chỉnh tài nguyên RF cho phù hợp với kích thước ROI thông số quan trọng thúc đẩy tốc độ phát triển vùng phủ sóng Bằng cách tăng O, kích thước dấu chân vệ tinh giảm số lượng chùm trỏ đến ROI mong muốn tăng lên Giá trị tối ưu cho O, xét SNR cung cấp, cho phép tạo nhiều chùm trỏ đến ROI chuỗi RF có sẵn Lưu ý tăng hệ số lấy mẫu mức, SNR cao suy hao phân tầng giảm, giao thoa chùm lân cận tăng lên, dẫn đến giảm SINR Do đó, hệ số lấy mẫu mức phải lựa chọn cẩn thận để tìm cân thích hợp SNR SINR Vấn đề giao thoa chùm tia giải cách thiết kế ma trận tiền mã hóa kỹ thuật số FBB phù hợp cho phép sử dụng lại toàn tần số cách phân bổ sóng mang khác cho người dùng phục vụ chùm lân cận 3.3.3 Đánh giá hiệu Xem xét vệ tinh LEO quay quanh độ cao 1300 km, bao phủ ROI hình elip với bán kính 534,1 km 170,5 km Khu vực thiết kế cho chòm LEO với 83 mặt phẳng quỹ đạo với độ nghiêng 53° 53 vệ tinh mặt phẳng Đường xuống hoạt động băng tần Ku với tần số sóng mang 𝑓𝐷𝐿 = 11,45 GHz băng thơng 𝐵𝐷𝐿 = 250 MHz Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 48 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Giả định mảng theo giai đoạn vệ tinh bao gồm × mảng có kích thước 12 × 24, với tổng số 60 × 72 ăng ten Lưu ý ta xếp mảng thành cấu trúc mảng ăng ten mặt phẳng lớn hơn, mảng truyền tín hiệu độc lập Ta phát rằng, số lượng ăng ten chuỗi RF này, với hệ số lấy mẫu mức 1,2, ta điều chỉnh tất chùm có sẵn theo kích thước ROI Các thơng số cịn lại hệ thống tóm tắt Bảng 3.2 Bảng 3.2 Tham số hệ thống LEO MIMO khổng lồ dạng chùm tia hoạt động băng Ku Tham số hệ thống Giá trị Độ cao Vệ tinh hsat 1300 km Số lượng mặt phẳng quỹ đạo NP 83 Số lượng vệ tinh quỹ đạo NS 53 Góc nghiêng mặt phẳng quỹ đạo 𝜃𝑜𝑝 53° Bán kính ROI theo phương x 534,1 km Bán kính ROI theo phương y 170,5 km Tần số sóng mang 𝑓𝐷𝐿 11,45 GHz Băng thơng 𝐵𝐷𝐿 250 MHz Suy hao khí 𝐿𝑃𝑎𝑡 0,017 dB Số phần tử mảng theo phương x 𝑁𝑥𝑠𝑎𝑡 60 Số phần tử mảng theo phương y 𝑁𝑦𝑠𝑎𝑡 72 Số chuỗi RF theo phương x 𝑁𝑥𝑅𝐹 Số chuỗi RF theo phương y 𝑁𝑦𝑅𝐹 Công suất truyền dẫn 𝑃𝑇𝑋 15 dBW Hệ số lẫy mẫu mức 𝑂 1,2 Số phần tử mảng UPA/Ăng ten sóng rị rỉ 𝑁𝑥𝑈𝑇 24 Số phần tử mảng UPA/Ăng ten sóng rị rỉ 𝑁𝑦𝑈𝑇 Độ lợi ăng ten GRX Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 24 33 dB 49 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Trục y [m] Để hiểu vai trò hệ số lấy mẫu mức O sổ mã chùm trình bày phần 3.3.2, Hình 3.10 thể thiết kế lưới khác bao gồm ROI hình elip cho mảng 128 × 64 vệ tinh chuỗi RF chiều Hình 3.10 (a) cho kết 𝑂 = 2,49, hình 3.10 (b) cho thấy lưới hình chữ nhật thu 𝑂 = Lưu ý với 𝑂 = 2, có 39 số 64 chùm tia sử dụng để chiếu sáng ROI, dẫn đến việc sử dụng tài nguyên RF hiệu Trục y [m] Trục x [m] Trục x [m] Hình 3.10 Lưới hình chữ nhật bao phủ ROI hình elip sử dụng sổ mã chùm DFT lấy mẫu mức (a) với O = 2,49; (b) với O = Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 50 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Độ lợi [dB] Để hiểu tác động ăng ten khác thiết bị đầu cuối người dùng, ta xem xét UPA ăng ten sóng rị rỉ (ký hiệu CRLH-LW) có số phần tử 24 × 24 Độ lợi dải ăng ten phẳng phía người dùng 27,6 dB Độ lợi cung cấp ăng ten sóng rị rỉ hàm hệ số rò rỉ, minh họa Hình 3.11 Sự phụ thuộc ăng ten Kymeta với góc ngẩng thể Hình 3.11 Hệ số rị rỉ | Góc ngẩng [°] Hình 3.11 Độ lợi loại ăng ten khác Độ lợi [dB] Bây ta xem xét ảnh hưởng sai lệch chùm tia độ lợi qua mô Monte Carlo mảng ăng ten ăng ten sóng rị rỉ Hình 3.12 Lỗi góc [°] Hình 3.12 Độ lợi ăng ten có lỗi góc Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 51 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Độ lợi [dB] Các tác động lượng tử hóa dịch pha mảng theo giai đoạn kiến trúc lai sử dụng phương pháp định dạng chùm [9] hiển thị Hình 3.13 Có thể thấy kiến trúc lai mang lại hiệu suất tốt nhiều so với kiến trúc tương tự khơng lượng tử hóa theo pha, hai hoạt động giống dịch pha có độ phân giải cao Số Bit lượng tử hóa Hình 3.13 Độ lợi ăng ten lượng tử hóa dịch pha Trục y [km] Trục y [km] Tiếp theo, ta phân tích phạm vi phủ sóng ROI hình elip vệ tinh UPA coi đầu cuối ăng ten Trục x [km] Trục x [km] Hình 3.14 SNR SINR ROI Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 52 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Hiệu suất quang phổ [Mbps/MHZ] Trục y [km] Trục y [km] Hiệu suất quang phổ [Mbps/MHZ] Trong SNR cho thấy phạm vi phủ sóng tốt hệ số lấy mẫu mức 1,2, qua SINR, ta quan sát khu vực có nhiễu cao Đây hệ việc sử dụng sổ mã loại DFT sử dụng hệ thống 5G NR, lưới hình chữ nhật liên kết tạo điểm bao phủ với độ lợi chùm vệ tinh khác Khi chọn chùm, ba chùm lại tạo giao thoa mạnh, dẫn đến SINR không lớn 4,77dB Trục x [km] Trục x [km] Hình 3.15 Hiệu suất quang phổ bỏ qua giao thoa (bên trái) xét giao thoa (bên phải) Hình 3.16 SNR theo trục Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 53 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương Trong Hình 3.16, ta thấy thay đổi SNR qua trục đường có SNR tối đa tối thiểu Các đường cong có SNR tối thiểu tương ứng với đường biên ROI hình elip, đường cong cho SNR tối đa tương ứng với đường y = đồ vùng phủ Có thể quan sát thấy chênh lệch độ lợi tâm ô cạnh theo thứ tự 3dB cho hai trục loại trừ ranh giới ROI SNR SINR chuyển thành hiệu suất quang phổ thể Hình 3.8 Lưu ý có giao thoa liên chùm đáng kể hoạt động với sổ mã loại DFT đề xuất hệ thống LTE 5G NR Cuối cùng, ta phân tích suy giảm SNR theo thời gian chuyển động vệ tinh người dùng ban đầu nằm tâm ROI hình elip Giả sử lựa chọn chùm dựa việc tối đa hóa SNR Hình 3.17 (a) cho thấy ví dụ vị trí vệ tinh khác chùm chọn liên quan Hình 3.17 (b) cho thấy SNR tương ứng với vị trí vệ tinh khác minh họa (a) Vị trí Vệ tinh vị trí (chùm 1) Vệ tinh vị trí (chùm 1) Vệ tinh vị trí (chùm 2) Suy hao vệ tinh di chuyển Vệ tinh vị trí (chùm 3) Đổi chùm Hình 3.17 (a) Các vị trí vệ tinh khác chùm liên kết (b) Suy giảm SNR theo thời gian chuyển động vệ tinh Có thể kết luận rằng, thiết kế thông số hệ thống, người dùng chiếu sáng chùm sáng khoảng thời gian khoảng 30 giây Sau đó, chùm tia khác phải chọn để giữ độ lợi thích hợp Lưu ý sau cập nhật chùm tia tốt nhất, có suy hao khơng đáng kể chuyển động vệ tinh, minh họa Hình 3.17 (b) Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 54 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3.4 Kết luận Trong chương 3, em tìm hiểu ba hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp:  Hệ thống LEO thông thường Trạm gốc (BS) nhận diện vùng dịch vụ thông qua nhiều vệ tinh LEO Để ngăn chặn nhiễu vệ tinh vùng dịch vụ, tần số khác phân bổ cho vệ tinh  Hệ thống LEO MIMO đa vệ tinh Các tín hiệu điều khiển phân bổ cho tần số vệ tinh theo cách giống LEO thơng thường, tần số tín hiệu liệu chọn động để phù hợp với ghép kênh MIMO So với hệ thống thông thường, hiệu tần số bị giảm tài nguyên gán cho tín hiệu điều khiển chuyên dụng băng bảo vệ chúng Tuy nhiên việc ấn định động băng tần truyền tín hiệu số liệu giúp triển khai linh hoạt sơ đồ MIMO tác động đến việc cải thiện dung lượng hệ thống  Hệ thống LEO MIMO khổng lồ dạng chùm tia Hệ thống hỗ trợ việc truyền trực tiếp đồng thời tới số lượng tối đa thiết bị đầu cuối người dùng di động mặt đất Cơ chế ghép kênh phân chia theo thời gian tần số cho phép chia sẻ chùm đồng thời có nhiều người dùng chùm phục vụ Hệ thống thiết kế dấu chân vệ tinh dạng ROI hình elip dựa số lượng mặt phẳng quỹ đạo số lượng vệ tinh quỹ đạo Kết mô cho thấy mức độ phù hợp thiết kế đầu cuối ăng ten để đạt SNR chấp nhận Với khả nhìn thấy nhiều vệ tinh từ máy đầu cuối, kỹ thuật MIMO sử dụng đa vệ tinh kỳ vọng mang lại dung lượng truyền dẫn cao cho hệ thống vệ tinh Vấn đề hệ thống LEO MIMO hiệu ứng Doppler chuyển động vệ tinh ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Hiệu ứng Doppler ngày tăng bất đối xứng theo hướng chuyển động Bằng cách tạo quỹ đạo với nhiều vệ tinh, ta giảm hiệu ứng Doppler tối đa Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 55 Đồ án tốt nghiệp Đại học KẾT LUẬN Do có suy hao truyền lan thấp thời gian trễ nhỏ nên chùm vệ tinh LEO lớn triển khai nhiều gần Với khả nhìn thấy nhiều vệ tinh từ máy đầu cuối, kỹ thuật MIMO sử dụng đa vệ tinh kỳ vọng mang lại dung lượng truyền dẫn cao cho hệ thống vệ tinh Vấn đề hệ thống LEO MIMO hiệu ứng Doppler chuyển động liên tục vệ tinh ảnh hưởng đến hiệu hệ thống điều phải đưa vào tính tốn triển khai MIMO Xem xét so sánh hệ thống LEO MIMO đề xuất hệ thống thông thường, em thấy hệ thống đề xuất băng thông 10 MHz cung cấp số cải tiến so với hệ thống thông thường, nhiên, dung lượng kênh bị suy giảm giảm hiệu suất tần số R băng tần Ka nơi tần số Doppler mạnh Với băng thông 100 MHz tác động dải tần trở nên không đáng kể ảnh hưởng tần số Doppler nhỏ Mặt khác, hệ thống thông thường cung cấp khả cải thiện dung lượng hạn chế băng thông bảo vệ nhỏ Truyền dẫn MIMO hệ thống với vệ tinh đạt cải thiện hiệu đáng kể độ rộng băng tần giới hạn 10MHz, mức cải thiện dung lượng trung bình lên tới lần đạt băng Ku đường xuống 12GHz Hơn dung lượng tăng thêm độ rộng băng tần sử dụng đủ lớn so với tần số Doppler Tiếp theo em triển khai đánh giá mô hồn chỉnh đường xuống hệ thống truyền thơng vệ tinh MIMO LEO khổng lồ - hệ thống thiết kế dấu chân vệ tinh dạng ROI hình elip dựa số lượng mặt phẳng quỹ đạo số lượng vệ tinh quỹ đạo; qua hiểu thách thức lớp vật lý đánh giá chiến lược định dạng chùm tia dựa sổ mã DFT Em nhận thấy hệ số lấy mẫu mức quan trọng, tỷ lệ thuận với số tia chiếu sáng tới ROI hiệu sử dụng tài nguyên Phần ô ROI đạt SNR cao nhất, thấp dần biên Có giao thoa liên chùm đáng kể Hạn chế công suất ăng ten tiền kỹ thuật số để giảm thiểu nhiễu liên chùm thách thức nghiên cứu mở cần giải để vượt qua phương pháp tiếp cận Kết mô cho thấy phụ thuộc tham số thiết kế đầu cuối ăng ten hệ số rị rỉ với ăng ten sóng rị rỉ, góc ngẩng với ăng ten Kymeta Có thể thấy kết hợp với kiến trúc lai lượng tử hóa mang lại hiệu suất tốt nhiều Trong hệ thống này, trạm mặt đất người sử dụng chiếu tới vệ tinh Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 56 Đồ án tốt nghiệp Đại học khoảng thời gian đinh, trước tới với vệ tinh phù hợp Có suy giảm SNR trình này, khắc phục cách tăng số vệ tinh đồng thời lại đem lại thách thức chi phí, rủi ro va chạm, phân chia khơng gian Cấu hình chùm tia liên kết vệ tinh LEO thiết bị đầu cuối di động mặt đất thách thức độ trễ hành trình dài, chuyển động nhanh vệ tinh hạn chế khả xử lý Các chòm LEO sử dụng chùm tia cố định chiếu sáng khu vực định bề mặt Trái đất mà khơng có khả để điều hướng chùm tia hẹp theo hướng người dùng Các giai đoạn tiền mã hóa kỹ thuật số thiết kế độc lập với chùm tương tự với mục đích giảm nhiễu liên chùm chùm phủ sóng với vùng bao phủ (ROI) lân cận Việc thiết kế dấu chân vệ tinh LEO sổ mã cụ thể phía vệ tinh mạng vệ tinh tích hợp mặt đất thách thức khác Cần thiết kế để đảm bảo độ bao phủ bề mặt Trái đất, hạn chế giao thoa chùm tia, tối đa hóa thông lượng hệ thống đồng thời thể mức độ tương thích với sổ mã thơng thường xác định tiêu chuẩn di động Chúng ta cần xem xét việc phân bổ phổ tần số khả gây can nhiễu hệ thống với sở hạ tầng viễn thông mặt đất Bên cạnh đó, nhiều hệ thống vệ tinh tầm thấp thiết kế để hoạt động băng tần Ka, điều đặt thách thức cho nhà khai thác việc truyền tín hiệu vệ tinh bị tác động yếu tố thời tiết mưa, tuyết Các nghiên cứu cho thấy, việc tác động từ yếu tố thời tiết cải thiện cách thay đổi băng tần số sử dụng cho hệ thống vệ tinh Tuy nhiên, việc triển khai mạng thông tin di động 5G hệ thống thông tin khác sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần hạn chế Đây vấn đề cần xem xét Ngồi việc truyền gói tin, việc định tuyến lưu lượng truy cập xung quanh mạng lưới hàng nghìn vệ tinh thách thức khác Hệ thống LEO khơng đứng n quay vịng quanh trái đất với tốc độ nhanh Điều có nghĩa bạn liên lạc với vệ tinh sau vài phút, vệ tinh biến sau đường chân trời, vệ tinh khác đến phía bên để tiếp quản hệ thống Trong mạng vệ tinh ăng ten thứ chuyển động Như vậy, người dùng ăng ten vệ tinh chuyển động thứ trở nên phức tạp Nguyễn Phạm Khương Duy D17VT1 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Joan Palacios, Nuria Gonzalez-Prelcic, Carlos Mosquera, Takayuki and ChangHeng Wang, "A hybrid beamforming design for massive MIMO LEO satellite communications," arXiv, 22 April 2021 [2] Jukka Kyröläinen, Ari Hulkkonen, Juha Ylitalo, Aaron Byman, Bhavani Shankar, Pantelis-Daniel Arapoglou and Joel Grotz, "Applicability of MIMO to satellite communications," International Journal of Satellite Communications and Networking, pp 343-357, 2013 [3] Takaya Yamazato, Daisuke Goto, Hiroki Shibayama and Fumihiro Yamashita, "LEO-MIMO Satellite Systems for High Capacity Transmission," in 2018 IEEE Global Communications Conference, Abu Dhabi, United Arab Emirates, 2018 [4] Pantelis-Daniel Arapoglou, Konstantinos Liolis, Massimo Bertinelli, Athanasios Panagopoulos, Panayotis Cottis and Riccardo De Gaudenzi, "MIMO over Satellite: A Review," IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS,, vol 13, 2011 [5] Ezio Biglieri, Robert Calderbank, Anthony Constantinides, Andrea Goldsmith, Arogyaswami Paulraj and H Vincent Poor, MIMO Wireless Communications, New York: Cambridge University Press, 2006 [6] J Louis J Ippolito, Satellite Communications Systems Engineering, Atmospheric Effects, Satellite Link Design and System Performance, Chichester, United Kingdom: A John Wiley and Sons, 2008 [7] R.T Schwarz, A Knopp and B Lankl, "The channel capacity of MIMO satellite links in a fading environment: A probabilistic analysis," in 2009 International Workshop on Satellite and Space Communications, Siena, Italy, Sept 2009 [8] R T Schwarz, A Knopp, B Lankl, D Ogermann and C A Hofmann, "Optimum-Capacity MIMO Satellite Broadcast System: Conceptual Design for LOS Channels," in 2008 4th Advanced Satellite Mobile Systems, Bologna, Italy, Aug 2008 [9] J Palacios, D De Donno, D Giustiniano, and J Widmer, "Speeding up mmWave beam training through low-complexity hybrid transceivers," in 2016 IEEE 27th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2016 vi [10] L Cottatellucci, M Debbah, G Gallinaro, R Muller, M Neri and R.Rinaldo, "Interference mitigation techniques for broadband satellite system," in 24th AIAA Int Commun Satell Syst Conf., June 2006 [11] P Horvath, G Karagiannidis, P.R King, S Stavrou and I Frigyes, "Investigations in satellite MIMO channel modeling: Accent on polarization," EURASIP J Wireless Commun Network, 2007 [12] K.P Liolis, A.D Panagopoulos and P.G Cottis, "Multi-satellite MIMO communications at Ku-band and above: Investigations on spatial multiplexing for capacity improvement and selection diversity for interference mitigation," EURASIP J Wirel Commun Network, 2007 [13] "Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems," ITU-R Recommendation P.618-9, Geneva, Switzerland, 2007 [14] "Attenuation by atmospheric gasses," ITU-R Recommendation P.676-4, Geneva, Switzerland, 2005 [15] "Attenuation due to clouds and fog," ITU-R Recommendation P.840-3, Geneva, Switzerland, 1999 [16] G Patrick, Doppler compensation for LEO satellite communications system, McMaster University, May 1998 vii ... 1.1.3 Vệ tinh Quỹ đạo Thấp Hình 1.7 Vệ tinh Quỹ đạo Thấp LEO Các vệ tinh trái đất hoạt động tốt độ cao địa tĩnh, thường độ cao từ 160 đến 2000 km quỹ đạo gần tròn, gọi vệ tinh LEO Vệ tinh quỹ đạo. .. Duy v Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 1 CHƯƠNG TỔNG QUÁT HỆ THỐNG VỆ TINH QUỸ ĐẠO THẤP VÀ MIMO 1.1 Hệ thống Vệ tinh Quỹ đạo thấp 1.1.1 Hệ thống Truyền thông Vệ tinh 1.1.1.1 Vệ tinh Vệ tinh thông... qua đồ án này, em muốn tìm hiểu đồng thời đánh giá hiệu giải pháp LEO MIMO Đồ án em gồm có ba chương:  Chương 1: Tổng quát hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp MIMO  Chương 2: MIMO cho vệ tinh quỹ đạo