một số giải pháp kỹ thuật của hãng idirect và ứng dụng để thiết kế mạng vsat cho hệ thống thông tin ngành hàng không dân dụng việt nam

MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa Nhiệm vụ luận văn Mục lục Danh mục các chữ viết tắt Danh mục các hình vẽ MỞ ĐẦU 1 Chương 1 3 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VSAT 3 1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh 3 1.2. Giới thiệu hệ thống thông tin vệ tinh 4 1.2.1. Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin vệ tinh 4 1.2.2. Đặc điểm thông tin vệ tinh 5 1.2.3. Ảnh hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền và băng tần cho thông tin vệ tinh 5 1.2.4. Mô hình kênh truyền của thông tin vệ tinh 7 1.3. Tổng quan về mạng VSAT 8 1.3.1. Khái niệm về thông tin VSAT 8 1.3.3. Băng tần cho thông tin VSAT 11 1.4. Cấu trúc các trạm mặt đất trong mạng VSAT và bộ phát đáp 12 1.4.1. Cấu trúc trạm VSAT 12 1.4.2. Cấu trúc trạm Hub 13 1.4.3. Cấu trúc bộ phát đáp vệ tinh 15 1.5. Ứng dụng mô hình tham chuẩn OSI cho mạng VSAT 16 1.5.1. Cấu hình vật lý và giao thức của một mạng VSAT 16 1.5.2. Chuyển đổi giao thức (giả lập) 18 1.6. Giới thiệu vệ tinh thông tin VINASAT-1 và các ứng dụng 19 1.6.1. Vệ tinh thông tin Vinasat-1 19 1.6.2. Ứng dụng của vệ tinh Vinasat-1 23 Chương 2 26 MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ VSAT BĂNG RỘNG TRÊN NỀN IP CỦA iDIRECT 26 2.1. Các phương pháp đa truy nhập cơ bản trong mạng VSAT 26 2.1.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 27 2.1.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và truyền burst.28 2.1.3. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA) 29 2.2. Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng VSAT có cấu trúc cụ thể 30 2.2.1. Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng VSAT có cấu trúc hình lưới 30 2.2.2. Kỹ thuật đa truy nhập trong mạng VSAT có cấu trúc hình sao .33 2.3. Các giải pháp kỹ thuật của hãng iDirect 35 2.3.1. Kỹ thuật đa truy nhập MF-TDMA 35 2.3.2. Kỹ thuật đa truy nhập D-TDMA của iDirect 41 2.3.3. Kỹ thuật tăng tốc TCP/IP 45 2.4. Các thuật toán cải thiện hiệu năng TCP/IP trong mạng VSAT 47 2.4.1. Thuật toán khởi động chậm 48 2.4.2. Thuật toán tránh tắc nghẽn 50 2.4.3. Cải thiện thuật toán Slow-Start 52 Chương 3 54 THIẾT KẾ MẠNG VSAT CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG VIỆT NAM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ iDIRECT 54 3.1. Mô tả hệ thống hệ thống thông tin ngành hàng không Việt Nam 54 3.1.1. Hệ thống thông tin ngành hàng không Việt Nam hiện nay 54 3.1.2. Các loại thông tin trong ngành hàng không truyền qua vệ tinh .56 3.1.3. Thực tại hệ thống thông tin VSAT ngành hàng không Việt Nam56 3.2. So sánh mạng VSAT sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh với công nghệ chuyển mạch gói dựa trên nền IP 57 3.3. Sơ đồ cấu trúc mạng VSAT của hệ thống thông tin hàng không Việt Nam và kiểu lưu lượng 61 3.3.1. Sơ đồ cấu trúc mạng VSAT 61 3.3.2. Lưu lượng của các trạm VSAT 62 3.4. Lựa chọn công nghệ và thiết bị Modem 63 3.5. Tính toán băng thông cho mạng 66 3.5.1. Đặc điểm luồng xuống (Downstream) 66 3.5.2. Đặc điểm luồng lên (Upstream) 67 3.5.3. Tính băng thông chiếm dụng của mạng 67 3.6. Tính toán quỹ năng lượng đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh 68 3.6.1. Hệ số tăng ích của anten (G) 69 3.6.2. Suy hao không gian tự do 69 3.6.3. Suy hao khí quyển 70 3.6.4. Tính toán tuyến lên 71 3.6.5. Tuyến xuống và trạm mặt đất thu 73 3.6.6. Tỷ số công suất sóng mang trên mật độ phổ tạp âm toàn tuyến. .76 3.7. Tính toán các tham số lắp đặt 77 3.8. Lựa chọn phần thiết bị ngoài trời và đặc điểm kỹ thuật của chúng 78 3.8.1. Tại trạm đầu cuối VSAT 78 3.8.2. Trạm Hub VSAT 80 KẾT LUẬN 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ALC Automatic Level Control Điều khiển mức công suất tự động BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BUC Block Up Converter Bộ đổi tần lên và khuếch đại công suất BPSK Binary Phase-Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân C/N Carrier to Noise Tỷ số công suất sóng mang trên tạp âm CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã CIR Commited Infomation Rate Tốc độ thông tin cam kết DA Demand Assigment Cấp phát theo nhu cầu D/C Down Converter Bộ chuyển đổi tần xuống D- TDMA Deterministic- Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian – Xác định. DTH Direct To Home Truyền hình vệ tinh DVB- RCS Digital Video Broadcast – Return Channel via Satellite Truyền hình số có kênh trở về qua vệ tinh. EIRP Equivalent Isotropic Radiation Power Công suất phát xạ đẳng hướng tương đương FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FSS Fixed Satellite Service Dịch vụ vệ tinh cố định GBN Go-Back-N Quay trở lại khung thứ N IBO Input Back Off Độ lùi công suất đầu vào IDU In-Door Unit Khối thiết bị trong nhà ITU International Telecommunication Union Liên minh viễn thông thế giới IFL Interfacility Link Kết nối giữa các thiết bị ISO International Standards Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế Organization LAN Local Area Network Mạng cục bộ LNB Low Noise Block Down convert Bộ khuếch đại tạp âm thấp & đổi tần xuống NMS Network Management System Hệ thống quản lý mạng GEO Geostationary Orbit Quĩ đạo địa tĩnh MCPC Multi Channel Per Carrier Nhiều kênh trên một sóng mang MSS Mobil Satellite Service Dịch vụ vệ tinh di động OBO Output Back Off Độ lùi công suất đầu ra ODU Out-Door Unit Khối thiết bị ngoài trời OSI Open System Interconnection Kết nối hệ thống mở QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương RB Reference Burst Cụm chuẩn RSV Reed Solomon Viterbi SCPC Single Channel Per Carrier Sóng mang đơn trên kênh đơn SLA Service Level Agreement Thoả thuận mức dịch vụ SR Selective Repeat Phát lại có lựa chọn SW Stop and Wait Dừng và chờ TCP Transmission Control Protocol Giao thức điều khiển truyền dẫn TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian TPC Turbo Product Code Mã sinh nhanh U/C Up Converter Bộ đổi tần lên VSAT Very Small Aperture Terminal Trạm đầu cuối có khẩu độ anten cực nhỏ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Mô tả cấu trúc tổng quát của một hệ thống thông tin vệ tinh 4 Hình 1.2: Sự phụ thuộc của hấp thụ khí quyển vào tần số 6 Hình 1.3: Các dạng cấu trúc tiêu biểu của mạng VSAT 9 Hình 1.4: Cấu trúc trạm VSAT 12 Hình 1.5: Cấu trúc cơ bản của một trạm Hub 13 Hình 1.6: Sơ đồ khối chức năng của một bộ phát đáp đơn giản 15 Hình 1.7: Cấu hình vật lý và giao thức của một mạng VSAT 17 Hình 1.8: Các loại hình dịch vụ Vinasat cung cấp 23 Hình 2.1: Băng thông sóng mang truyền dẫn theo FDMA 27 Hình 2.2: Băng thông sóng mang truyền dẫn theo TDMA 28 Hình 2.3: Băng thông sóng mang truyền dẫn theo CDMA 29 Hình 2.4: Mạng hình lưới với sóng mang SCPC, sử dụng FDMA 30 Hình 2.5: Mạng hình lưới sử với sóng mang MCPC 32 Hình 2.6: Các phương pháp đa truy nhập trong mạng hình sao 33 Hình 2.7: Kết nối mạng hình lưới theo kỹ thuật MF-TDMA 36 Hình 2.8: Bảng cấp phát tài nguyên MF-TDMA trong mạng hình lưới. .37 Hình 2.9: Kết nối mạng theo kỹ thuật TDM/MF-TDMA 38 Hình 2.10: Cấp phát khe thời gian trải đều ra các khung 43 Hình 2.11: Mạng D-TDMA của iDirect 44 Hình 2.12: MF-TDMA hướng về trong mạng hình sao của iDirect 45 Hình 2.13: Sơ đồ tăng tốc TCP theo một hướng của iDirect 46 Hình 2.14: Sơ đồ tăng tốc bắt tay 3-đường theo một hướng 47 Hình 2.15: Thuật toán Slow-start 49 Hình 2.16: Thuật toán khởi động chậm xử lý gói tin bị mất 50 Hình 2.17: Minh họa thuật toán Slow-Start và Congestion avoidance 51 Hình 2.18: TCP “spoofing” 52 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống thông tin vệ tinh ngành hàng không Việt Nam 55 Hình 3.2: Cấu trúc trạm VSAT theo công nghệ chuyển mạch kênh và IP 59 Hình 3.3: So sánh cấu trúc trạm HUB theo công nghệ Mux và IP 60 Hình 3.4: Thí dụ cấp phát băng thông cho các sóng mang 61 Hình 3.5: Cấu trúc mạng VSAT hàng không Việt Nam 62 Hình 3.6 Mini Satellite Hub 64 Hình 3.7: Modem IP VSAT đầu xa 66 Hình 3.8: Cấu trúc khung TDM luồng xuống 66 Hình 3.9: Cấu trúc khung TDMA 67 Hình 3.10: Sơ đồ các thành phần thiết bị tại trạm VSAT 79 Hình 3.11: An-ten VSAT trạm đầu xa 79 Hình 3.12: Bộ chuyển đổi tuyến lên và khuếch đại công suất băng C 80 Hình 3.13: Bộ chuyển đổi tuyến xuống tạp âm thấp băng C 80 Hình 3.14: Anten 4.5m của andrew 81 MỞ ĐẦU Trong nhiều năm qua, hàng không trở thành một trong những ngành quan trọng không chỉ ở Việt Nam mà ở tất cả các nước trên thế giới. Sự phát triển của ngành có ý nghĩa rất lớn trong sự phát triển về kinh tế, chính trị cũng như xã hội của nước ta. Nhu cầu về giao thông ngày càng tăng dẫn đến tần suất các chuyến bay tăng và cần có sự thay đổi về chất lượng của hệ thống thông tin để bảo đảm triệt để an toàn cho các chuyến bay. Trong hệ thống thông tin ngành hàng không thì thông tin vệ tinh đóng một vai trò không thể phủ nhận. Với mạng thông tin VSAT để truyền tín hiệu dữ liệu radar, điện văn, khí tượng và đặc biệt là thoại điều hành bay giữa Kiểm soát viên không lưu và phi công, kết nối toàn bộ các trạm điều hành bay nội địa cũng như quốc tế. Hệ thống thiết bị vệ tinh của ngành đã dùng từ năm 1995 đến nay với công nghệ đã cũ không còn phù hợp cho việc mở rộng mạng và khó khăn trong việc khắc phục sự cố khi hỏng hóc vì không có thiết bị dự phòng. Mặt khác, Việt Nam hiện nay đã có vệ tinh VINASAT-1 với công nghệ tiên tiến, cho nên ngành hàng không đã lập dự án và đã được phê duyệt chuyển sang dùng vệ tinh VINASAT-1. Qua tìm hiểu và nghiên cứu về công nghệ và thiết bị vệ tinh tôi nhận thấy thiết bị của hãng iDirect có thể đáp ứng tốt nhất cho hệ thống thông tin của ngành. Từ thực tế trên, tác giả thực hiện đề tài “Một số giải pháp kỹ thuật của hãng iDirect và ứng dụng để thiết kế mạng VSAT cho hệ thống thông tin ngành hàng không dân dụng Việt Nam”. Luận văn bao gồm các nội dung sau: Chương 1: Tổng quan về hệ thống thông tin VSAT. Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin VSAT, những vấn đề chung về thông tin VSAT, cấu trúc cơ bản, nguyên lý hoạt động của trạm mặt đất trong mạng VSAT và những đặc điểm cơ bản của hệ thông tin VSAT. Giới thiệu các thông số kỹ thuật và cácdịch vụ của vệ tinh VINASAT-1. 1 Chương 2: Một số giải pháp kỹ thuật ứng dụng trong hệ thống VSAT băng rộng trên nền IP của iDirect. Nghiên cứu các phương pháp đa truy nhập cơ bản, quá trình dẫn đến sự ra đời của phương pháp đa truy nhập mới MF-TDMA, kỹ thuật MF-TDMA, MF-TDMA trong hệ thống thiết bị của iDirect, kỹ thuật D-TDMA của iDirect và giải pháp tối ưu hoá TCP/IP qua vệ tinh của iDirect. Chương 3: Thiết kế mạng VSAT cho hệ thống thông tin ngành hàng không Việt Nam. Phân tích so sánh công nghệ chuyển mạch kênh sử dụng thiết bị ghép kênh và công nghệ chuyển mạch gói dựa trên giao thức TCP/IP, phân tích giải pháp công nghệ của iDirect và lựa chọn thiết bị modem. Tính băng thông cần thiết cho mạng và tính toán quỹ năng lượng đường truyền. Từ đó lựa chọn phần thiết bị đầu cuối vệ tinh và đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị đã chọn. Do nội dung nghiên cứu của đề tài rộng, tài liệu còn khan hiếm nên luận văn không tránh khỏi thiếu sót. Tác giả rất mong nhận được sự đóng góp của các Thầy giáo và đồng nghiệp. 2 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VSAT 1.1. Lịch sử phát triển của 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 thông tin vệ tinh. Công nghệ truyền tin vệ tinh được bắt nguồn từ hai công nghệ phát triển mạnh trong thế chiến thứ hai, đó là công nghệ viba và công nghệ tên lửa. Trong thời kỳ “chiến tranh lạnh”, một cuộc chạy đua không ồn ào nhưng rất quyết liệt giữa một số “cường quốc công nghiệp” nhằm tranh giành không gian vũ trụ. Hiện nay đã có hàng trăm vệ tinh viễn thông trên bầu trời nhằm phục vụ nhiều dịch vụ viễn thông khác nhau. Ta có thể nhìn lại quá trình phát triển đó như sau: Ý tưởng về một hệ thống thông tin toàn cầu sử dụng vệ tinh bay xung quanh quả đất đã được nhà bác học Arthur C. Clarke giới thiệu trong một tạp chí Anh “Wireless world” (thế giới không giây) vào tháng 5 năm 1945. Tháng 04 năm 1957 Liên xô đã phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK đầu tiên trên thế giới mở ra một kỷ nguyên thông tin vệ tinh. Năm 1958 bản tin chúc mừng Giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower lần đầu tiên được phát đi qua vệ tinh có tên là SCORE bay ở độ cao 1500 km. Những năm sau đó từ năm 1960 đến 1962 một loạt các vệ tinh khởi đầu có tên ECHO, CURIER, TELSTAR và RELAY đã được phóng lên ở quỹ đạo có độ cao thấp (khoảng 1000 km đến 8000 km), do hạn chế bởi tên lửa phóng. Năm 1963 một vệ tinh địa tĩnh đầu tiên có tên là SYNCON, có độ cao bay 36.000 km đã truyền hình trực tiếp thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật về Mỹ. Năm 1965 vệ tinh MOLNYA của liên xô được phóng lên ở quỹ đạo elip nghiêng 65 o so với mặt phẳng xích đạo. Tháng 7 năm 1964 một tổ chức quốc tế về thông tin vệ tinh đã ra đời, ban đầu có 11 nước thành viên, gọi tắt là Intelsat (Internation Telecommucations Satellite). Các nước tham gia vào tổ chức này tăng lên nhanh chóng, 30 năm sau số nước thành viên tham gia tổ chức Intelsat đã là 133, trong đó có Việt Nam. 3 [...]... thức đối với mạng VSAT để trong chương 2 có cơ sở nghiên cứu giải pháp khắc phục trễ đường truyền vệ tinh với các ứng dụng nhạy cảm với trễ của iDirect Trong chương này của luận văn cũng đã giới thiệu về vệ tinh thông tin Vinasat-1 của Việt Nam và các loại hình dịch vụ kèm theo của nó 26 Chương 2 MỘT SỐ GIẢI PHÁP KỸ THUẬT ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG THIẾT BỊ VSAT BĂNG RỘNG TRÊN NỀN IP CỦA iDIRECT Như chúng... lưu lượng trong nội bộ mạng VSAT Có thể xem mạng VSAT là mạng cố định vệ tinh và dịch vụ VSAT là dịch vụ cố định vệ tinh cho phép người sử dụng với an-ten vệ tinh cỡ nhỏ có thể sử dụng các loại hình dịch vụ viễn thông, truyền thông trực tiếp từ mạng VSAT thông qua đường truyền dẫn vệ tinh 1.3.2 Cấu hình mạng và kích thước mạng VSAT 1.3.2.1 Cấu hình mạng VSAT Mạng VSAT sử dụng vệ tinh địa tĩnh có độ cao... truyền trong hệ thống thông tin VSAT 2.1 Các phương pháp đa truy nhập cơ bản trong mạng VSAT Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin vô tuyến điểm đến đa điểm, nghĩa là một vệ tinh có thể thông tin với nhiều trạm mặt đất, vì vậy phải sử dụng kỹ thuật đa truy nhập Có 3 kỹ thuật đa truy nhập vệ tinh cơ bản của các trạm mặt đất được ứng dụng rộng rãi là: - Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA - Frequency... hưởng của tầng khí quyển đến kênh truyền và băng tần cho thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin sử dụng phương thức truyền dẫn vô tuyến, bởi vậy việc lựa chọn và ấn định băng tần công tác cho các dịch vụ thông tin vệ tinh là rất quan trọng Nó phải thoả mãn hai điều kiện cơ bản - Không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác cũng như các dịch vụ thông tin vệ tinh trong mạng. .. là một mạng hoàn toàn độc lập hoặc là một mạng con nhờ một Hub dùng chung Nhưng xét về mặt thiết bị thì kích thước của mạng vẫn tuỳ thuộc vào dung lượng luồng dữ liệu, tức là dựa trên: • Số người cần phục vụ, nói chung một người sử dụng cũng chính là một VSAT ở xa Tuy nhiên, một VSAT cũng có thể phục vụ cho một số người sử dụng bằng cách kết nối nó với một mạng dữ liệu nội bộ (LAN) hoặc kể cả với một. .. các đặc tính vật lý và các thông số kỹ thuật của các kết nối dành cho việc truyền ở mức bit qua mạng và thông qua giao diện mạng - Lớp liên kết dữ liệu chứa các thủ tục và giao thức thông tin giữa các đầu cuối của mạng, hoặc giữa các mạng với nhau Các giao thức này thường thực hiện việc phát hiện và sửa lỗi cho các gói dữ liệu đã được đóng khung Nếu các lỗi không thể sửa được, một thông báo lỗi sẽ được...4 1.2 Giới thiệu hệ thống thông tin vệ tinh 1.2.1 Cấu trúc tổng quát của hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc của hệ thống thông tin vệ tinh gồm 2 phân đoạn: phân đoạn mặt đất và phân đoạn không gian được mô tả như hình 1.1 dưới đây: Phân đoạn không gian V ệ tinh Tuyến lên Trạm điều khiển vệ tinh Tuyến xuống Thiết bị thu (Trạm mặt đất) Thiết bị phát (Trạm mặt đất) Phân đoạn mặt... biết, trong thông tin vệ tinh có 2 vấn đề rất quan trọng yêu cầu các nhà sản xuất thiết bị phải nghiên cứu tìm biện pháp để mang lại hiêu quả cao nhất là tài nguyên băng thông và vấn đề trễ đường truyền Hãng iDirect đã đưa ra một số giải pháp kỹ thuật đa truy nhập trên nền IP cải tiến để nâng cao hiệu quả việc sử dụng băng thông hạn chế và kỹ thuật tăng tốc TCP/IP để khắc phục ảnh hưởng của trễ đường... (downlink) 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 các trường hợp sử dụng các trạm VSAT, các hệ thống thông tin di động vệ tinh S-PCN 5 1.2.2 Đặc điểm thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn so với các phương tiện truyền thông khác nhưng nó được phát triển nhanh chóng nhờ... có một trạm VSAT bị mất nguồn thì NMS sẽ tải xuống tất cả các phần mềm liên quan và các thông số của hệ thống để khởi động lại 1.4.2.2 Chức năng quản lý Chức năng quản lý giải quyết các vấn đề về kiểm tra thiết bị, lưu trữ việc sử dụng mạng, bảo mật và lập hoá đơn NMS duy trì một tài khoản của các VSAT được lắp đặt và vận hành, cấu hình thiết bị trong Hub và trong mỗi trạm VSAT, và cấu hình cổng của . ứng tốt nhất cho hệ thống thông tin của ngành. Từ thực tế trên, tác giả thực hiện đề tài Một số giải pháp kỹ thuật của hãng iDirect và ứng dụng để thiết kế mạng VSAT cho hệ thống thông tin ngành. TIN HÀNG KHÔNG DÂN DỤNG VIỆT NAM SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ iDIRECT 54 3.1. Mô tả hệ thống hệ thống thông tin ngành hàng không Việt Nam 54 3.1.1. Hệ thống thông tin ngành hàng không Việt Nam hiện nay. MF-TDMA, kỹ thuật MF-TDMA, MF-TDMA trong hệ thống thiết bị của iDirect, kỹ thuật D-TDMA của iDirect và giải pháp tối ưu hoá TCP/IP qua vệ tinh của iDirect. Chương 3: Thiết kế mạng VSAT cho hệ thống thông