hệ thống thông tin vệ tinh vsat

Một số quan điểm xem trạm vệ tinh VSAT như là thiết bị đầu cuối viễn thông Terminal thay vì sử dụng khái niệm trạm mặt đất Earth Station với cách nhìn trạm VSAT như là thiết bị đầu cuối

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI

KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH VSAT

LỚP: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG – K52

MÔN: KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP VÔ TUYẾN

NHÓM SINH VIÊN THỰC HIỆN: Cao Văn Đức

Nguyễn Quý Tuấn Anh

Triệu Trung Hiếu

HÀ NỘI

Ngày 18 tháng 10 năm 2013

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

I TỔNG QUAN VỀ MẠNG VSAT 4

1 Khái niệm mạng VSAT 4

2 Định nghĩa Vsat 6

3 Đặc điểm của hệ thống Vsat 7

4 Cấu hình mạng VSAT 7

II HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TINH VỆ TINH VSAT 12

1 Thành phần của hệ thống VSAT .12

1.1 Anten 12

1.2 ODU 12

1.3 IDU .12

2 Trạm HUB .12

3 Đa truy nhập 12

4 Các giao thức đa truy nhâp cơ bản 14

5 Tuyến vào TDMA / tuyến ra 15

6 Ấn định cố định với TDMA (FA - TDMA) 16

7 Ấn định theo nhu cầu TDMA (DA – TDMA) 17

III Một số ứng dụng của mạng VSAT 18

Dịch vụ VSAT–IP 20

IV KẾT LUẬN 21

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay trên thế giới và trong khu vực, có rất nhiều nước ñã có hệ thống Thông tin vệ tinh riêng của mình Hệ thống này cho phép đáp ứng được các nhu cầu ngày càng tăng của thông tin cũng như nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ đa dạng và phong phú

Hệ thống Thông tin vệ tinh có thể cung cấp các dịch vụ thông tin như: Thoại, truyền số liệu, phát thanh, truyền hình, Internet… với dung lượng lớn, vùng phủ sóng rộng, độ tin cậy và chất lượng thông tin cao

Phân tích tổng quan về hệ thống mạng và dịch vụ VSAT, một số vấn đề liên quan

đến quản lý và đánh giá tiềm năng phát triển loại hình dịch vụ này ở Việt Nam Đề tài này sẽ gồm các phần chính:

I TỔNG QUAN VỀ MẠNG VSAT

II HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG VỆ TINH VSAT

III MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA MẠNG VSAT

I TỔNG QUAN VỀ MẠNG VSAT

1 Khái niệm mạng VSAT

Ngành thông tin vệ tinh đã trải qua một quá trình phát triển lâu dài từ sự khởi đầu đơn giản cho đến những hệ thống phức tạp, đồng thời nó cũng đang dần được hoàn thiện và không ngừng phát triển trong tương lai Cùng với việc hạ giá thành và kích thước, số lượng trạm vệ tinh mặt đất tăng lên không ngừng Các trạm vệ tinh cỡ nhỏ, với kích thước anten từ 0.6m đến 2.4m đã trở nên quen thuộc với tên gọi VSAT VSAT

(Very Small Aperture Terminal) là trạm thông tin vệ tinh mặt đất cỡ nhỏ được phát triển

từ những năm 1980 bởi Công ty Telcom General của Mỹ Một số quan điểm xem trạm

vệ tinh VSAT như là thiết bị đầu cuối viễn thông (Terminal) thay vì sử dụng khái niệm trạm mặt đất (Earth Station) với cách nhìn trạm VSAT như là thiết bị đầu cuối

của mạng viễn thông (thoại, fax, Internet…), của mạng quảng bá (xem truyền hình) hoặc như là thiết bị chuyển đổi lưu lượng trong nội bộ mạng VSAT Quan điểm này cũng hoàn toàn phù hợp với định nghĩa của Liên minh Viễn thông Thế giới (ITU) về

thiết bị đầu cuối số liệu DTE (Data Teminal Equipment) là thực hiện chức năng chuyển

đổi lưu lượng số liệu đầu cuối

VSAT là một trong những bước trung gian của xu hướng chung trong quá trình giảm kích thước trạm mặt đất kể từ khi vệ tinh đầu tiên được phóng vào giữa những năm

1960 Thực ra, quá trình phát triển của các trạm mặt đất được khởi đầu từ các trạm mặt đất Intelsat chuẩn A kích thước lớn được trang bị các anten rộng khoảng 30m, cho đến hiện giờ thì kích thước anten được trang bị nhỏ khoảng 60cm cho mỗi hướng thu truyền hình được phát quảng bá bởi các vệ tinh hay các đầu cuối có chức năng định vị toàn cầu như máy thu hệ thống định vị toàn cầu.Và hiện nay thông dụng là các máy

điện thoại vệ tinh cầm tay (IRIDIUM, GLOBALSTAR) có kích thước bỏ túi Hình 1 sẽ

minh họa cho xu hướng này

Hình 1: Bước phát triển của quá trình giảm kích thước trạm mặt đất

Thực ra, nếu phân tích theo khía cạnh về kích thước trạm vệ tinh thì trạm VSAT được xem là bước trung gian của quá trình phát triển từ trạm vệ tinh mặt đất cỡ lớn đến

máy đầu cuối thông tin di động vệ tinh hay từ nghiệp vụ thông tin cố định vệ tinh, đến nghiệp vụ thông tin di động vệ tinh

Vì vậy, VSAT tại các mức thấp hơn của một dòng sản phẩm sẽ mang lại sự khác nhau đáng kể giữa các dịch vụ thông tin, tại các mức cao hơn là các trạm lớn hơn (thường gọi

là trạm trung kế) hỗ trợ cho các liên kết vệ tinh có dung lượng lớn Chúng chủ yếu được dùng trong các mạng chuyển mạch quốc tế để hỗ trợ cho các dịch vụ điện thoại trung

kế giữa các quốc gia hay giữa các lục địa khác nhau Hình 2 sẽ minh họa cách mà các trạm tập trung lưu lượng từ các thiết bị đầu cuối người dùng thông qua các tuyến liên kết trên mặt đất, các tuyến này được xem là một phần của mạng chuyển mạch công cộng của một quốc gia Giá thành các trạm này khá đắt, khoảng 1 triệu đô / 1vùng Dung lượng đường truyền trên một vùng khoảng vài ngàn kênh thoại (tương đương khoảng 100Mbps) Chúng được sở hữu và vận hành bởi các nhà điều hành viễn thông quốc gia hoặc các công ty tư nhân lớn

Hình 2: Các trạm trung kế

Tại các trạm VSAT thường được lắp đặt các anten có bán kính nhỏ hơn 2.4m, các trạm này không hỗ trợ cho các tuyến liên kết vệ tinh có dung lượng lớn, tuy nhiên nó có ưu điểm là rẻ với chi phí sản xuất khoảng 1000USD đến 5000USD và dễ dàng lắp đặt ở bất kì nơi đâu, có thể là trên nóc nhà hay chỗ đậu xe Chi phí lắp đặt thường nhỏ hơn 2000USD Bắt nguồn từ việc chi phí của VSAT thấp mà khiến cho nó ngày càng trở nên phổ biến, thị trường dịch vụ này tăng khoảng 20-25% trên một năm Có khoảng 50000 VSAT hoạt động trên diện rộng vào năm 1990 và 12 năm sau thì số lượng VSAT là 60000, và xu thế này đang diễn ra theo chiều hướng tăng, nếu xét về khía cạnh vận chuyển thì VSAT được xem là phương tiện để chuyên chở thông tin

2 Định nghĩa Vsat

VSAT là hệ thống thông tin vệ tinh sử dụng các trạm đầu cuối có anten kích thước nhỏ (0.6-2.4m)

3 Đặc điểm của hệ thống Vsat

 Các trạm mặt đất VSAT thông thường được tạo thành mạng có cấu trúc hình sao xung quanh một trạm trung tâm tương đối lớn gọi là trạm HUB Tuy nhiên có một số trạm hoạt động theo cấu hình điểm – điểm ( cấu hình mắt lưới ) trong đó trạm VSAT liên lạc trực thẳng với nhau thông qua trạm HUB

 Các trạm mặt đất thường phát với tốc độ thấp hoặc trung bình (<2Mbps)

 Các trạm VSAT thường được trang bị anten loại nhỏ, đường kính không quá 2.4m, nhưng cũng có trạm được trang bị loại anten 5m

 Trạm HUB điều khiển toàn bộ hoạt động của mạng, có hệ thống điều hành mạng dùng để điều hành hệ thống Đồng thời nó có chức năng liên tục tích lũy dữ liệu về hệ thống để đảm bảo hoạt động kiểm tra thường xuyên

và xác định cho mục đích ghi hóa đơn tính cước

 Vệ tinh sử dụng hệ thống VSAT thường là vệ tinh địa tĩnh Những thay đổi vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo không ảnh hưởng tới nhiều đến các trạm VSAT vì có các chùm tia rộng nhưng lại ảnh hưởng lớn đến trạm HUB, vì vậy trạm này phải bám vệ tinh

4 Cấu hình mạng VSAT

Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm một vệ tinh chuyển động trên một quỹ đạo và nhiều trạm mặt đất truy cập đến nó Cấu hình cơ bản nhất là trạm mặt đất-vệ tinh- trạm mặt đất Các VSAT được kết nối với nhau bởi các liên kết tần số vô tuyến thông qua vệ

tinh gồm tuyến lên (uplink) từ trạm mặt đất đến vệ tinh và tuyến xuống (downlink) từ về

tinh đến trạm mặt đất (hình 3)

Hình 3: Tuyến lên và tuyến xuống

Nói chung các tần số cao hơn được sử dụng cho tuyến lên và các tần số thấp hơn được

sử dụng cho tuyến xuống

Một liên kết từ trạm này đến trạm kia bao gồm tuyến lên và tuyến xuống được gọi là một bước nhảy (hop) Mỗi liên kết tần số vô tuyến là một sóng mang được điều chế để truyền tải thông tin Về cơ bản, vệ tinh sẽ nhận được các sóng mang được gửi lên từ các trạm mặt đất trong miền quan sát của anten thu, khuếch đại các sóng mang đó, chuyển đổi tần số của chúng đến băng tần thấp hơn để ngăn ngừa khả năng nhiễu giữa đầu vào và đầu ra, sau đó thực hiện phát các sóng mang đã được điều chế đến trạm mặt đất được định vị trong miền quan sát của anten phát Chu kì quỹ đạo của vệ tinh là khoảng thời gian để hoàn thành một vòng quay trên quỹ đạo của nó so với trái đất Khi một vệ tinh chuyển động trên vòng tròn quỹ đạo theo hướng quay của trái đất thì nó đóng vai trò như một chuyển mạch cố định từ bất kì trạm mặt đất nào Hình 4 minh họa cho khía cạnh hình học của vệ tinh địa tĩnh

Hình 4: Vệ tinh địa tĩnh

Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh địa tĩnh là một trong các nguyên nhân gây

ra suy hao công suất sóng mang tần số vô tuyến, giá trị suy hao này khoảng 200dB cho cả tuyến lên và tuyến xuống, và trễ đường truyền từ trạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác thông qua vệ tinh (trễ đường truyền cho một bước nhảy) khoảng 0.25s Các

vệ tinh này có thể được sử dụng 24 giờ mỗi ngày, nó đóng vai trò như một chuyển mạch cố định để chuyển tiếp các sóng mang tần số vô tuyến hướng lên, sau đó các sóng mang này được truyền từ vệ tinh xuống tất cả các trạm mặt đất mà có thể nhìn thấy tự vệ tinh (vùng tối của trái đất được minh họa như hình 4) Khi tất cả các

VSAT được nhìn thấy từ vệ tinh thì các sóng mang có thể chuyển tiếp bởi vệ tinh từ bất

kì VSAT này đến VSAT khác trong cùng mạng, điều này được minh họa như trên hình 5

Đối với mạng VSAT dạng lưới (mesh) như hình 5, ta cần xét đến những hạn chế sau: -Thông thường, suy hao công suất sóng mang cho cả tuyến lên và tuyến xuống (tương đương một bước nhảy) khoảng 200dB

-Công suất tần số vô tuyến của hệ thống thu và phát lại bị giới hạn, thông thường khoảng vài chục W (watt)

-Kích thước của VSAT nhỏ, điều này gây hạn chế công suất phát và độ nhạy thu của

nó

Hình 5: Mạng VSAT dạng lưới (a) Ví dụ với ba VSAT (mũi tên biểu diễn luồng thông tin được truyền thông qua quá trình chuyển tiếp sóng mang bằng vệ tinh) (b) Minh họa đơn giản một số lượng các VSAT (mũi tên đại diện cho liên kết 2 hướng tạo bởi 2 sóng mang

truyền theo các hướng đối diện)

Giải pháp sau đây được dùng để thiết lập mạng có trạm lớn hơn VSAT được gọi là HUB

Trạm HUB có kích thước anten khoảng 4 đến 11m, giá trị này lớn hơn so với kích thước anten của VSAT, do vậy độ lợi của nó sẽ lớn hơn so với anten của VSAT cổ điển và được lắp đặt với máy phát có công suất lớn hơn Trạm HUB này có khả năng nhận được đầy đủ tất cả các sóng mang được phát bởi VSAT và truyền tải các thông tin mong muốn đến tất cả các VSAT bằng phương thức sóng mang riêng của nó Kiến trúc của mạng hình sao được mô tả trong hình 6 và hình 7 Đ ư ờ n g truyền từ HUB đến VSAT được gọi là tuyến ra (outbound link), từ VSAT đến HUB được gọi là tuyến vào (inbound link) Cả tuyến ra và tuyến vào đều gồm có tuyến lên vệ tinh và tuyến từ

vệ tinh xuống

Hình 6: Mạng VSAT hình sao hai hướng (a) Ví dụ với 4 VSAT (mũi tên biểu diễn luồng thông tin được truyền thông qua quá trình chuyển tiếp sóng mang bằng vệ tinh) (b) Minh họa đơn giản với một số lượng lớn các VSAT (mũi tên đại diện cho liên kết tạo bởi

2 sóng mang truyền theo các hướng đối diện)

Có 2 kiểu mạng VSAT hình sao:

-Các mạng hai hướng (hình 6) là mạng mà các VSAT có khả năng phát và thu Các mạng này thường hỗ trợ cho các lưu lượng hai chiều

-Các mạng đơn hướng (hình 7) là mạng trong đó HUB làm nhiệm vụ phát sóng mang còn VSAT chỉ có chức năng nhận Cấu hình này thường dùng cho các dịch vụ quảng bá từ site trung tâm (nơi đặt HUB) đến các site từ xa (nơi đặt các VSAT chỉ nhận)

II HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TINH VỆ TINH VSAT

Tín hiệu thu được từ anten qua bộ định hướng đến bộ khuếch đại tạp

âm thấp(LNA) để nâng cao tần số sóng mang trên tạp âm Tín hiệu cao tần RF được lọc và đưa đến bộ trộn để hạ từ tần số cao RF thành tần

số trung tần IF bằng cách trộn tần số tín hiệu với tín hiệu tần số giao động nội được tạo ra bởi bộ giao động(LOOSC) Tín hiệu trung tần ở đầu ra được khuếc đại được lọc và phân chia theo nhu cầu sử dụng b) Phần phát

Các luồng tín hiệu được ghép, khuếch đại trung tần, được lọc và đưa đến bộ trộn Tại đó tín hiệu trung tần trộn với tín hiệu do động nội để tạo thành tín hiệu cao tần ở đầu ra Tín hiệu cao tần được lọc và khuếch đại công suất lớn để đảm bảo công suất bức xạ ở đầu ra

1.3 IDU

Bộ xử ký băng tần gốc BBP cung cấp giao diện đầu cuối DTE người sử dụng,

xử lý điều khiển truy nhập vệ tinh và thực hiện chuyển đổi giữa các giao thức mặt đất và vệ tinh

2 Trạm HUB

 Thiết bị băng tần gốc cung cấp giao diện hai hướng vào ra giữa môi trường truyền dẫn với các đầu cuối người sử dụng và máy tính chủ Qua giao diện này các kênh số liệu và kênh thoại được định địa chỉ và đường đi Do đó thiết

bị hoạt động như bộ chuyển mạch trung tâm của mạng VSAT và đặc biệt là chuyển mạch gói trong trường hợp số liệu được truyền dưới dạng gói

 Thiết bị điều khiển và xử lý phát TXPCE bao gồm một hay một số đơn vị xử

lý phát TPU là ghép các kênh tín hiệu thành một kênh TDM để phát đi

 Mỗi kênh Outroute chức 3 loại thông tin

o Thông tin về đồng bộ mạng

o Thông tin về điều khiển mạng

o Số liệu của người sử dụng

3 Đa truy nhập

Các trạm mặt đất của mạng VSAT giao tiếp với nhau thông qua vệ tinh theo phương

thức sóng mang điều chế Tùy theo cấu hình mạng, số lượng sóng mạng và loại sóng mang sẽ được định tuyến một cách đồng thời trong cùng một bộ phát đáp của vệ tinh Hình: minh họa các trường hợp có thể thực hiện khác nhau:

-Với mạng VSAT một hướng, trong đó các trạm HUB thực hiện việc quảng bá các khối

dữ liệu được ghép kênh phân chia theo thời gian đến các VSAT chỉ nhận, khi đó chỉ có một sóng mang được chuyển tiếp nhờ bộ phát đáp của vệ tinh Do đó không có sóng mang nào khác tham gia vào quá trình truy nhập và không cần giao thức đa truy nhập -Với mạng dạng sao hai hướng, các sóng mạng từ các VSAT và trạm HUB cùng tham gia vào quá trình truy nhập bộ phát đáp vệ tinh

-Với mạng dạng lưới hai hướng thì không có trạm HUB và chỉ có các sóng mang được phát bởi các trạm VSAT tham gia truy nhập bộ phát đáp của vệ tinh

Các mạng một hướng:

Các mạng dạng sao 2 hướng:

Các mạng dạng lưới 2 hướng:

Hình: Đa truy nhập đối với các cấu hình khác nhau

4 Các giao thức đa truy nhâp cơ bản

Các giao thức đa truy nhâp cơ bản gồm có:

Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)

Ở đây ta chỉ xét đến giao thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA)

Hình: minh họa các cách phân chia băng thông của bộ phát đáp của vệ tinh giữa nhiều sóng mang theo thời gian

Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) là phương thức phân chia toàn bộ băng

tần B của bộ phát đáp cho mỗi sóng mang trong một khoảng thời gian giới hạn được gọi

là khe thời gian TDMA là một hệ thống trong đó các trạm mặt đất dung chung một bộ phát đáp trên cơ sở phân chia thời gian, để làm được việc này cần sử dụng một sóng mang điều chế số Ở TDMA, trục thời gian được phân chia thành các khoảng thời gian gọi là các khung TDMA Ngoài ra, mỗi khung TDMA được chia thành các khe thời gian, các khe thời gian này được ấn định cho mỗi trạm mặt đất Mỗi trạm mặt đất phát các tín hiệu có cùng tần số sóng mang và chiếm toàn bộ băng tần của bộ phát đáp của vệ tinh Vì các khe thời gian khác nhau được ấn định cho tất cả các trạm mặt đất nên chỉ có tín hiệu từ một trạm mặt đất chiếm bộ phát đáp vệ tinh trong thời gian cho