Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh
Đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh
Hệ thống truyền tin vệ tinh, hay còn gọi là thông tin vệ tinh, sử dụng bộ chuyển tiếp được đặt trên vệ tinh nhân tạo của Trái Đất Thuật ngữ "vệ tinh nhân tạo" được sử dụng để phân biệt với các vệ tinh thiên tạo, và thường được gọi tắt là "vệ tinh".
Thông tin vệ tinh, mặc dù ra đời muộn hơn so với nhiều phương tiện truyền thông khác, nhưng đã nhanh chóng phát triển nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.
- Vùng phủ sóng của vệ tinh khá rộng, chỉ cần ba vệ tinh địa tĩnh có thể phủ sóng toàn cầu
- Thiết bị phát sóng dùng trong hệ thống truyền tin vệ tinh chỉ cần công suất bé
Việc lắp đặt và di chuyển các thành phần trong hệ thống truyền tin vệ tinh mặt đất diễn ra nhanh chóng và dễ dàng, không bị ảnh hưởng bởi cấu hình mạng hay hệ thống truyền dẫn.
Hệ thống truyền tin vệ tinh cung cấp đa dạng dịch vụ như thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, định vị toàn cầu, quan sát mục tiêu, dự báo khí tượng, cùng với các ứng dụng trong lĩnh vực quốc phòng và an ninh.
Thông tin từ vệ tinh rất ổn định và đáng tin cậy Trong nhiều trường hợp như bão lớn hay động đất, khi các phương tiện truyền thông khác gặp khó khăn trong việc hoạt động, hệ thống truyền tin vệ tinh vẫn duy trì khả năng kết nối và cung cấp thông tin quan trọng.
- 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
Tuy vậy, thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm, đó là:
Chi phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo rất cao, và không phải quốc gia nào cũng có khả năng phát triển công nghệ phóng cũng như sản xuất thiết bị cần thiết.
Bức xạ sóng vô tuyến từ vệ tinh bị tổn hao trong môi trường truyền sóng, nhất là ở những khu vực có mây mù và mưa nhiều Để sử dụng anten nhỏ và thiết bị nhẹ, chi phí tổn hao sẽ tăng lên đáng kể.
Cường độ trường tại điểm thu trên mặt đất bị ảnh hưởng bởi khoảng cách truyền sóng và góc phương vị giữa anten thu và phát Điều này cho thấy rằng cường độ trường còn phụ thuộc vào tọa độ của vệ tinh so với khu vực được phủ sóng.
Trong hệ thống truyền tin vệ tinh, tín hiệu của tuyến lên và tuyến xuống phải đối mặt với thời gian trễ đáng kể, khoảng 0,25 giây đối với vệ tinh địa tĩnh Do đó, việc xử lý tín hiệu cần phải xem xét yếu tố này để đảm bảo hiệu quả truyền tải thông tin.
Hình 1.1 mô tả ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng toàn cầu
18.101 km (kênh trên xích đạo)
Hình 1.1 Ba vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng toàn cầu
Cấu trúc tổng quát một hệ thống thông tin vệ tinh
Thiết bị phát (trạm mặt đất)
Trạm điều khiển vệ tinh
Thiết bị thu (trạm mặt đất)
Hình 1.2: Mô tả cấu trúc tổng quát một hệ thống truyền tin vệ tinh
Hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm hai phân đoạn chính: phân đoạn không gian (space segment) và phân đoạn mặt đất (ground segment) Hình 1.2 minh họa rõ ràng hai phân đoạn này trong cấu trúc của hệ thống truyền tin vệ tinh.
Phân đoạn không gian của hệ thống truyền tin vệ tinh bao gồm vệ tinh cùng các thiết bị bên trong và hệ thống trang thiết bị trên mặt đất để theo dõi và điều khiển vệ tinh Vệ tinh được chia thành hai phần chính: phần tải (payload) và phần thân nền (platform) Phần tải chứa các anten thu/phát và thiết bị điện tử phục vụ truyền dẫn và xử lý tín hiệu, trong khi phần thân nền bao gồm cấu trúc vỏ, nguồn cung cấp điện, và hệ thống điều khiển nhiệt độ, hướng chuyển động và quỹ đạo.
Các sóng vô tuyến được truyền từ trạm mặt đất lên vệ tinh gọi là tuyến lên (uplink), trong khi vệ tinh thu nhận, xử lý, biến đổi tần số, khuếch đại và truyền lại sóng vô tuyến về các trạm mặt đất qua tuyến xuống (downlink) Chất lượng liên lạc qua sóng vô tuyến được xác định bởi tỷ số năng lượng sóng mang trên năng lượng tạp nhiễu C/N, bao gồm cả kỹ thuật điều chế và mã hóa được sử dụng.
Các bộ phát đáp (transponder) trong vệ tinh có chức năng thu tín hiệu từ tuyến lên, sau đó biến đổi tần số, khuếch đại công suất và truyền tín hiệu trở lại theo tuyến xuống Hình 1.3 minh họa sơ đồ khối của một bộ phát đáp đơn giản.
Tín hiệu từ tuyến lên
Bộ khuếch đại tạp âm thấp
Bộ khuếch đại công suất đèn sóng chạy Tuyến xuống
Bộ phát đáp đơn giản được mô tả trong sơ đồ khối chức năng không thực hiện nhiệm vụ giải điều chế và xử lý tín hiệu thu được, mà chỉ đóng vai trò là bộ chuyển đổi xuống với hệ số khuếch đại công suất lớn.
Bộ khuếch đại công suất trong bộ phát đáp thường sử dụng hai loại chính: khuếch đại bằng đèn sóng TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier) và khuếch đại bằng bán dẫn SSPA (Solid State Power Amplifier) Công suất bão hoà đầu ra của TWTA thường dao động từ 20 W đến 40 W Các vệ tinh mới hiện nay được trang bị bộ phát đáp đa chùm tia (multibeam satellite transponder) và bộ phát đáp tái sinh (regenerative transponder) Do yêu cầu về kích thước và trọng lượng, anten thu/phát của bộ phát đáp thường có kích thước nhỏ, dẫn đến độ tăng ích của anten vệ tinh bị giới hạn.
Vệ tinh hoạt động như một trạm trung chuyển tín hiệu giữa các trạm mặt đất, đóng vai trò là điểm nút quan trọng trong mạng lưới, với hai chức năng chính là truyền và nhận thông tin.
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, còn công suất tại đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát cho tuyến xuống có yêu 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
Thay đổi tần số sóng mang giữa thu và phát giúp giảm thiểu tác động của công suất phát trở lại đầu vào của đầu thu Để đảm bảo hiệu quả lọc của các bộ lọc đầu vào đối với tần số sóng mang tuyến xuống, cần đạt được sự cách biệt khoảng 150 dB, đồng thời xem xét độ tăng ích thấp của anten.
Ngoài hai nhiệm vụ chính, vệ tinh thường có thêm nhiều chức năng khác Chẳng hạn, với vệ tinh có nhiều búp sóng hoặc búp sóng quét, bộ phát đáp cần có khả năng tạo tuyến sóng đến các vùng hoặc điểm phủ sóng yêu cầu Đối với vệ tinh tái sinh, bộ phát đáp còn đảm nhận chức năng điều chế và giải điều chế.
Phần tải của các vệ tinh viễn thông được đặc trưng bởi các thông số kỹ thuật sau:
- Số lượng bộ phát đáp;
- Độ rộng dải thông của mỗi bộ phát đáp;
- Phân cực sóng của tuyến lên và tuyến xuống;
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) là một chỉ số quan trọng, thể hiện mật độ thông lượng công suất được phát ra tại biên của vùng phủ sóng EIRP giúp đánh giá khả năng phục vụ của mạng không dây, đảm bảo tín hiệu được truyền đạt một cách hiệu quả trong khu vực mong muốn.
- Mật độ thông lượng công suất bão hoà tại anten thu của vệ tinh (SPD: Saturated Power Density);
- Hệ số phẩm chất (G/T) của máy thu vệ tinh tại biên của vùng phủ sóng hoặc giá trị cực đại;
- Vùng phủ sóng yêu cầu;
- Công suất đầu ra của bộ khuếch đại công suất phát;
- Cấu hình dự phòng cho máy thu và bộ khuếch đại công suất phát
Băng tần dành cho bộ phát đáp vệ tinh dao động từ vài trăm MHz đến hàng chục GHz, thường được chia thành các băng tần con theo quy định của ITU Hầu hết các bộ phát đáp được thiết kế với dải thông tối ưu để đáp ứng nhu cầu truyền tải dữ liệu hiệu quả.
36 MHz, 54 MHz hoặc 72 MHz, trong đó dải thông
Chuẩn 36 MHz được sử dụng rộng rãi trong dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz) Hiện nay, một số bộ phát đáp với khả năng xử lý tín hiệu đã được áp dụng, giúp cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu truyền hình.
Phân đoạn mặt đất bao gồm tất cả các trạm mặt đất của hệ thống, thường kết nối với thiết bị người sử dụng qua mạng mặt đất hoặc qua trạm VSAT Trong trường hợp sử dụng các hệ thống thông tin di động vệ tinh S-PCN, vệ tinh có thể giao tiếp trực tiếp với thiết bị đầu cuối của người dùng Các trạm mặt đất được phân loại theo kích cỡ và loại hình dịch vụ, có thể là trạm vừa thu vừa phát sóng hoặc chỉ thu sóng, như trạm TVRO chỉ dùng để thu sóng truyền hình.
Trạm mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh (ES - Earth Station) có hai chức năng của yếu, đó là:
1 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 công suất và tần số thích hợp
Cấu trúc tổng quát một mạng thông tin vệ tinh
Trong nhiều năm qua, bên cạnh sự phát triển của hệ thống thông tin di động mặt đất, hệ thống thông tin di động vệ tinh cũng đã được chú trọng Vệ tinh có khả năng phủ sóng toàn cầu, bất chấp địa hình, tạo điều kiện thuận lợi cho việc cung cấp dịch vụ viễn thông toàn cầu, cả cố định lẫn di động Hiện nay, các dịch vụ này đã được triển khai và khai thác trên toàn thế giới.
Vệ tinh trong hệ thống thông tin di động được phân loại theo quỹ đạo bay, bao gồm vệ tinh địa tĩnh (GEO), vệ tinh quỹ đạo tầm trung (MEO) và vệ tinh quỹ đạo tầm thấp (LEO) Mỗi loại vệ tinh này có những đặc điểm riêng, ảnh hưởng đến khả năng cung cấp dịch vụ và độ phủ sóng trong các ứng dụng di động.
Hệ thống di động sử dụng vệ tinh địa tĩnh (GEO) chỉ cần khoảng 3 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu, với các vệ tinh đứng yên tương đối so với mặt đất, giúp đơn giản hóa việc xử lý thông tin Tuy nhiên, do độ cao bay lên tới 35,786 km, việc phủ sóng các ô nhỏ trên mặt đất yêu cầu anten lớn và cấu trúc phức tạp, cùng với công suất máy phát lớn và độ nhạy máy thu cao Điều này dẫn đến chi phí thiết bị cao.
Hệ thống di động sử dụng vệ tinh quỹ đạo tầm trung (MEO) và tầm thấp (LEO) yêu cầu nhiều vệ tinh hoạt động liên tục để đảm bảo phủ sóng toàn cầu Mặc dù thời gian nhìn thấy vệ tinh ngắn và vùng phủ sóng luôn thay đổi do độ cao bay, nhưng hệ thống này có nhiều ưu điểm như công suất máy phát nhỏ, độ nhạy máy thu không cao, kích thước anten nhỏ, trọng lượng vệ tinh nhẹ và chi phí trạm mặt đất thấp Vì vậy, vệ tinh LEO và MEO thường được ưa chuộng trong hệ thống thông tin di động.
Hệ thống thông tin di động vệ tinh, kết hợp với các hệ thống thông tin mặt đất, đáp ứng nhu cầu thông tin ngày càng cao của con người Sự phát triển của thông tin vệ tinh di động bắt đầu từ năm
Năm 1980 đánh dấu sự ra đời của thông tin vệ tinh trong lĩnh vực hàng hải, mở đầu cho sự phát triển liên tục các dịch vụ truyền tin di động cho ngành hàng không và viễn thông mặt đất.
Các vệ tinh truyền thông được phân loại theo quỹ đạo của chúng, bao gồm bốn loại chính: quỹ đạo địa tĩnh (GEO), quỹ đạo e-lip tầm cao (HEO), quỹ đạo tầm thấp (LEO) và quỹ đạo tầm trung (MEO) Trong số này, quỹ đạo địa tĩnh (GEO) hiện đang được sử dụng phổ biến nhất do khả năng đáp ứng nhiều yêu cầu dịch vụ truyền tin.
Trong những năm gần đây, công suất và anten của vệ tinh đã được cải thiện đáng kể, cùng với sự phát triển của công nghệ máy thu, dẫn đến việc giảm kích thước và trọng lượng của thiết bị đầu cuối trong hệ thống thông tin vệ tinh Điều này cho phép người dùng dễ dàng sử dụng các máy di động cầm tay hoặc máy tính xách tay để kết nối với hệ thống thông tin vệ tinh di động Hiện nay, các hệ thống này có khả năng cung cấp dịch vụ gọi thoại từ máy di động cầm tay, cho phép liên lạc với bất kỳ vị trí nào trên trái đất, tương tự như mạng di động tế bào mặt đất.
1.3.2 Cấu trúc mạng thông tin di động vệ tinh
PHÂN ĐOẠN MẶT ĐẤT PHÂN ĐOẠN KHÔNG GIAN
Mạng lõi điện thoại công cộng PSTN và mạng số liên kết đa dịch vụ ISDN
Phân đoạn người sử dụng di động
Tuyến liên lạc giữa các vệ tinh
Hệ thống quản lý thông tin khách hàng SCC
Hình 1.6: Cấu trúc tổng quát mạng thông tin di động vệ tinh
Sơ đồ cấu trúc cơ bản của mạng truy cập thông tin di động vệ tinh được mô tả trong Hình 1.6, bao gồm ba thực thể chính: phân đoạn người sử dụng, phân đoạn mặt đất và phân đoạn không gian.
Phân đoạn người sử dụng
Phân đoạn người sử dụng bao gồm các thiết bị đầu cuối, có mối quan hệ chặt chẽ với yêu cầu thích ứng môi trường làm việc Các thiết bị đầu cuối được chia thành hai loại chính.
- Các thiết bị đầu cuối di động cầm tay cá nhân hoặc đặt trong phương tiện di động như xe hơi
- Các thiết bị đầu cuối di động được thiết kế theo nhóm và được đặt trên các con tàu, xe lửa hoặc trong hàng không
Phân đoạn mặt đất bao gồm ba thành phần chính: các cổng chính (còn được gọi là trạm mặt đất cố định), trung tâm điều khiển mạng (NCC) và trung tâm điều khiển vệ tinh (SCC).
Các cổng chính đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối mạng truy nhập vệ tinh với các mạng lõi như PSTN và PLMN thông qua các tổng đài nội hạt Chúng có thể kết hợp với búp sóng của vệ tinh, cho phép truy cập vào nhiều búp sóng khi vùng phủ sóng chồng chéo Điều này giúp thiết bị đầu cuối của người sử dụng kết nối đến mạng cố định qua vùng phủ sóng cụ thể Ngoài ra, cổng chính cũng hỗ trợ kết nối với các mạng di động khác như GSM và cung cấp các chức năng modem vô tuyến cho trạm gốc mặt đất (BTS), quản lý nguồn vô tuyến cho bộ điều khiển trạm gốc (BSC) và các chức năng trung tâm chuyển mạch di động (MSC).
Hình 1.7 mô tả cấu trúc tổng quát ở bên trong một cổng chính (theo khuyến nghị của ITU)
RF/IF TCE GSC GMSC PSTN/
Hình 1.7: Mô tả cấu trúc bên trong một cổng chính
The main gateway subsystem (GWS) structure includes the ground transceiver subsystem (GTS) and the gateway station controller (GSC) The GTS subsystem consists of high-frequency/intermediate-frequency (RF/IF) components and traffic channel equipment (TCE).
Trung tâm điều khiển mạng NNC và trạm quản lý mạng NMS được kết nối với hệ thống quản lý thông tin khách hàng CIMS để tối ưu hóa truy cập nguồn vệ tinh và phát triển các chức năng logic trong quản lý và điều khiển mạng Hai chức năng này đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả quản lý mạng.
Các chức năng quản lý mạng:
- Phát triển lưu lượng cuộc gọi;
- Quản lý nguồn hệ thống và đồng bộ mạng;
- Các chức năng vận hành và bảo dưỡng mạng (OAM);
- Quản lý tuyến báo hiệu giữa các trạm;
- Cung cấp hỗ trợ trong uỷ quyền thiết bị đầu cuối của người sử dụng Các chức năng điều khiển cuộc gọi:
- Các chức năng báo hiệu kênh chung;
- Lựa chọn cổng chính kết nối thiết bị di động;
- Xác định cấu hình cổng chính
Trung tâm điều khiển vệ tinh SCC giám sát chùm vệ tinh và điều khiển vị trí của vệ tinh trong không gian Các chức năng cụ thể là:
- Tạo lập và truyền các lệnh cho tải vệ tinh và bus vệ tinh;
- Thu nhận và xử lý tín hiệu đo xa;
- Truyền các lệnh định hướng búp sóng;
- Tạo lập và truyền các lệnh xử lý quỹ đạo bị lệch;
- Thực hiện các đính chính sai số
Phân đoạn không gian đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối người dùng mạng với các cổng chính Các thế hệ vệ tinh mới cung cấp kết nối trực tiếp giữa người sử dụng di động vệ tinh thông qua nhiều chùm vệ tinh, mỗi chùm có quỹ đạo và thông số riêng Ví dụ, mạng vệ tinh ELLIPSO sử dụng quỹ đạo tròn để phủ sóng các vùng quanh xích đạo và quỹ đạo elip cho các vùng quanh Bắc cực Việc lựa chọn thông số quỹ đạo của phân đoạn không gian phụ thuộc vào yêu cầu về chất lượng dịch vụ (QoS) cho vùng phủ sóng mong muốn.
Một số hệ thống thông tin vệ tinh điển hình
1.4.1 Các hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh 1.4.1.1 Các đặc tính tổng quan
Vệ tinh địa tĩnh đã được sử dụng hơn 20 năm để cung cấp dịch vụ truyền tin cố định và di động Chúng nằm trên quỹ đạo địa đồng bộ với chu kỳ quỹ đạo là 23 giờ 56 phút 4,1 giây.
Chu kỳ thời gian của vệ tinh địa tĩnh, hay còn gọi là ngày thiên văn, tương đương với thời gian mà Trái Đất quay một vòng quanh trục của nó Do đó, vệ tinh địa tĩnh có thể được coi là đứng yên tương đối so với mọi điểm trên bề mặt Trái Đất Quỹ đạo của vệ tinh địa tĩnh là hình tròn và nằm trên mặt phẳng xích đạo.
Ngoại trừ các vùng cực, ba vệ tinh địa tĩnh có khả năng phủ sóng toàn cầu, như được mô tả trong Hình 1.1 Các vệ tinh này hoạt động trên quỹ đạo hình tròn, nằm trên mặt phẳng xích đạo và có độ cao khoảng 35.786 km so với mặt đất.
Hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh mang lại nhiều lợi ích trong việc cung cấp dịch vụ truyền tin quảng bá và cố định Thời gian trễ truyền dẫn cho một bước nhảy đơn dao động từ 250-280 ms, và có thể lên đến 300 ms khi tính cả quá trình xử lý và đệm Do đó, việc sử dụng các phương pháp triệt hồi âm là cần thiết khi truyền tin thoại Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) quy định rằng độ trễ tối đa cho thông tin điện thoại qua vệ tinh địa tĩnh không được vượt quá 400 ms cho một bước nhảy đơn Đối với thông tin vệ tinh di động, khi cần liên lạc trực tiếp giữa hai máy di động mà không sử dụng bước nhảy kép, cần có bộ xử lý riêng ở vệ tinh hoặc tại mặt đất để giám sát cuộc gọi.
Hình 1.9 a) Thông tin vệ tinh qua một bước nhảy b) Thông tin vệ tinh qua hai bước nhảy
Việc phủ sóng liên tục theo vùng hoặc lục địa có thể thực hiện bằng một vệ tinh đơn, với khả năng sử dụng vệ tinh dự trữ để đảm bảo liên lạc khi có sự cố Hiện nay, nhiều hệ thống thông tin vệ tinh di động đã áp dụng chùm vệ tinh địa tĩnh để cung cấp dịch vụ di động toàn cầu hoặc theo khu vực lục địa.
Trước đây, việc liên lạc giữa vệ tinh địa tĩnh và mặt đất yêu cầu các trạm mặt đất lớn, nhưng nhờ vào sự tiến bộ trong công nghệ tải vệ tinh, anten và xử lý tín hiệu, các hệ thống thông tin vệ tinh hiện nay đã cung cấp vùng phủ sóng đa búp sóng đến các thiết bị di động của người dùng Sự phát triển này đã giảm đáng kể yêu cầu về EIRP của vệ tinh và quy mô các trạm mặt đất, cho phép ra đời các thiết bị di động vệ tinh nhỏ gọn tương tự như điện thoại di động Ngày nay, vệ tinh địa tĩnh cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau, bao gồm cả dịch vụ cố định và di động với khả năng phủ sóng toàn cầu, với hàng trăm vệ tinh đang hoạt động trên quỹ đạo địa tĩnh, được phân phối bởi Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU).
Hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh INMARSAT, được thành lập vào năm 1979, ban đầu phục vụ cho công tác hàng hải quốc tế nhằm quản lý tàu biển và cứu nạn Đến năm 1982, hệ thống đã mở rộng sang các dịch vụ thương mại và truyền thông khác INMARSAT hiện có 64 quốc gia thành viên tham gia, với trụ sở đặt tại London, Anh.
Hệ thống INMARSAT có 3 lĩnh vực phân chia phục vụ cho các vệ tinh địa tĩnh sau đây:
1- Các vệ tinh phủ sóng phục vụ các vùng Đông Đại Tây Dương (AOR-E) và Tây Đại Tây Dương (AOR-W), Thái Bình Dương (POR) và Ấn Độ Dương (IOR);
Hệ thống các trạm mặt đất (LES) của INMARSAT hiện có 40 trạm chủ, được phân chia theo vùng địa lý, nhằm cung cấp kết nối hiệu quả với các mạng mặt đất.
3 - Các trạm mặt đất di động phục vụ người sử dụng có khả năng liên lạc thông qua vệ tinh
INMARSAT hiện đang vận hành 4 vệ tinh địa tĩnh INMARSAT-3 để cung cấp sóng phủ sóng, cùng với 6 vệ tinh dự phòng bao gồm 3 vệ tinh INMARSAT-3 và 3 vệ tinh INMARSAT-2 Ngoài ra, INMARSAT còn có 3 vệ tinh khác sẵn sàng cho thuê.
Hệ thống INMARSAT có những dịch vụ tuỳ chọn và qua các giai đoạn phát triển nâng cấp như sau:
INMARSAT-A đưa vào sử dụng năm 1982, cung cấp dịch vụ thoại (300 -
Hệ thống INMARSAT-A sử dụng sóng mang điều chế tần số trên kênh đơn (FM/SCPC) với tần số phát 3400 Hz Điều chế BPSK cho phép truyền dữ liệu với tốc độ 19,2 kbit/s và dịch vụ fax với tốc độ 14,4 kbit/s Tốc độ truyền dữ liệu có thể tăng lên 64 kbit/s nhờ vào điều chế QPSK và kỹ thuật ALOHA cho thiết lập cuộc gọi Dải tần số phát của INMARSAT-A nằm trong khoảng 1.636,5 - 1.645 MHz và dải tần thu là 1.535 - 1.543,5 MHz, với khoảng cách giữa các kênh thoại là 50 kHz và các kênh dữ liệu là 25 kHz Hiện tại, các thiết bị đầu cuối INMARSAT-A không còn được sản xuất.
Bảng 1.4: Vùng phủ sóng và tọa độ các vệ tinh INMARSAT
Vùng phủ sóng Tọa độ vệ tinh Các vệ tinh dự phòng
INMARSAT-3 F4 (54 0 W) IOR INMARSAT-3 F1 (64 0 E) INMARSAT-2 F3 (65 0 E) POR INMARSAT-3 F3 (98 0 E) INMARSAT-2 F1(179 0 E)
INMARSAT-B, được đưa vào dịch vụ năm 1993, nhằm cung cấp tùy chọn số hóa cho dịch vụ thoại của INMARSAT-A Hệ thống này kết hợp thoại với điều khiển công suất, giảm thiểu yêu cầu EIRP của vệ tinh Các thiết bị đầu cuối hoạt động ở mức 33,29 hoặc 25 dBW với tỷ số G/T là -4 dB/K Tín hiệu thoại được tạo ra với tốc độ khoảng 16 kbit/s nhờ mã hóa dự đoán thích nghi APC, sau đó tăng lên 24 kbit/s bằng mã chập tốc độ 3/4 Tín hiệu được điều chế dạng offset-QPSK, trong khi dữ liệu truyền ở tốc độ 2,4 đến 9,6 kbit/s và fax đạt 9,6 kbit/s cũng sử dụng điều chế bù offset-QPSK Dịch vụ dữ liệu tốc độ cao (HSD) của INMARSAT-B cung cấp truyền tin số 64 kbit/s cho người dùng trên mặt đất và biển, kết nối với mạng ISDN qua các trạm chủ mặt đất LES Để thiết lập cuộc gọi, thiết bị đầu cuối cần một kênh truyền tín hiệu điều chế QPSK bù đắp 24 kbit/s theo giao thức ALOHA, với các kênh được phân định bằng BPSK TDM Hệ thống hoạt động trong băng tần 1.626,5 - 1.646,5 MHz cho chế độ phát và 1.525 - 1.545 MHz cho chế độ thu.
INMARSAT-C cung cấp dịch vụ dữ liệu với tốc độ thấp khoảng 600 bit/s, sử dụng mã chập 1/2 và điều chế BPSK trong dải tần 2,5 kHz Hệ thống này có thiết bị đầu cuối gọn nhẹ với anten vô hướng, tỷ số G/T là -23 dB/K và EIRP từ 11 đến 16 dBW Kênh quay về sử dụng điều chế ALOHA BPSK với tốc độ 600 bit/s, trong khi các kênh được phân chia bằng tín hiệu điều chế TDM BPSK INMARSAT-C hoạt động trong dải tần phát từ 1626,5 đến 1645,5 MHz và dải tần thu từ 1530,0 đến 1545,0 MHz, với bước nhảy khoảng 5 kHz.
INMARSAT-M chính thức được đưa vào dịch vụ thương mại vào tháng 12 năm 1992, đánh dấu sự ra mắt đầu tiên của điện thoại vệ tinh di động cầm tay cá nhân Hệ thống cung cấp dịch vụ điện thoại với tốc độ 4,8 kbit/s, sử dụng công nghệ mã hóa kích thích đa băng tần cải tiến (IMBE) và mã chập tốc độ 3/4, cho phép tăng tốc độ truyền dẫn lên đến 8 kbit/s Bên cạnh đó, hệ thống cũng hỗ trợ gửi fax.
Hệ thống INMARSAT-M cung cấp dịch vụ dữ liệu với tốc độ 24 kbit/s và các dịch vụ dữ liệu khác từ 1,2 đến 2,4 kbit/s, chủ yếu phục vụ cho lĩnh vực hàng hải và di động mặt đất Các thiết bị đầu cuối hàng hải có EIRP là 27 dBW hoặc 21 dBW với tỷ số G/T là -10 dB/K, trong khi đó, thiết bị di động trên bộ hoạt động với EIRP là 25 hoặc 19 dBW và tỷ số G/T là -12 dB/K Kênh quay về sử dụng tín hiệu điều chế BPSK ALOHA với băng thông khoảng 3 kbit/s, và các kênh được phân định theo tín hiệu điều chế TDM BPSK.
Hệ thống INMARSAT-M hàng hải hoạt động trong dải tần phát là 1.626,5 - 1.660,5 MHz và dải tần thu là 1.525,0 - 1.559,0 MHz, với một khoảng giữa các kênh là 10 kHz
INMARSAT cung cấp nhiều hệ thống khác nhau, bao gồm INMARSAT MINI-M với đầu cuối nhỏ gọn, INMARSAT-D cho phép gửi và hiển thị tin nhắn lên tới 128 ký tự, INMARSAT-E cung cấp dịch vụ thông tin hàng hải toàn cầu, MINI-MAERO chuyên phục vụ thông tin hàng không, và mạng truy cập toàn cầu GAN (Global Access Network) hỗ trợ dịch vụ ISDN di động cùng các dịch vụ di động IP (Mobile Internet Protocol - MIP).
1.4.1.3 Hệ thống thông tin vệ tinh EUTELSAT
Tổ chức thông tin vệ tinh châu Âu EUTELSAT (European Telecommunication Satellite Organisation) có hai hệ thống thông tin vệ tinh EUTELRACS (chuyên dụng) và EMSAT (thương mại)
Hiệu năng kênh truyền
Tổng quan
Các tín hiệu băng cơ sở, bao gồm âm thanh, hình ảnh và dữ liệu, được truyền qua các kênh thông tin vệ tinh Một trong những tham số quan trọng để đánh giá hiệu năng của kênh là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) đối với tín hiệu tương tự.
Công suất của tín hiệu băng cơ sở và tỷ số lỗi bit (BER) là những yếu tố quan trọng trong việc đánh giá hiệu suất của các tín hiệu số Hiệu năng của tín hiệu thường phải đáp ứng các yêu cầu nhất định dựa trên bản chất của nó Chất lượng tín hiệu mà người sử dụng nhận được được xác định tại các giao diện giữa trạm mặt đất và mạng, hoặc giữa mặt đất và thiết bị đầu cuối Mô tả mạng vệ tinh kết nối với mạng mặt đất là một phần quan trọng trong việc hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của hệ thống truyền thông này.
Xử lý tín hiệu Điều chế IF/RF
Giao diện mạng/ trạm mặt đất
Giao diện mạng/ thiết bị đầu cuối
Giải điều chế RF/IF
Giao diện mạng/ trạm mặt đất
Giao diện mạng/ thiết bị đầu cuối
Phát trạm mặt đất Thu trạm mặt đất
Hình 2.1: Mô tả một kênh truyền vệ tinh có kết nối mạng các trạm mặt đất
Đặc trưng các dạng tín hiệu truyền qua kênh thông tin vệ tinh
2.2.1 Tính hiệu tương tự (analog)
Tín hiệu tương tự truyền qua các kênh thông tin vệ tinh có thể được đặc trưng bởi các yêu tố cần xem xét sau đây:
- Các quá trình xử lý tín hiệu băng cơ sở (trước điều chế và sau giải điều chế) để cải thiện chất lượng kênh truyền;
Số lượng kênh tương ứng với sóng mang có thể được phân loại thành truyền kênh đơn qua sóng mang (SCPC - Single Channel Per Carrier) hoặc ghép kênh phân chia theo tần số (FDM - Frequency Division Multiplexing).
- Dạng điều chế được sử dụng Phổ biến nhất là điều tần, FM
- Các kênh truyền thường gặp là: SCPC/FM; FDM/FM và FDM/SSB-AM
Tín hiệu số truyền qua kênh thông tin vệ tinh được đặc trưng bởi các yếu tố cần xem xét sau đây:
- Số hóa các tín hiệu Analog (lấy mẫu, lượng tử hóa, mã hóa nguồn)
- Ghép kênh phân chia theo thời gian, TDM
- Dồn kênh và nhân kênh;
- Điều chế số (BPSK, M-PSK, M-QAM…)
- Giải mã kênh và sửa lỗi.
Chất lượng tín hiệu tương tự trên kênh truyền
Chất lượng và hiệu năng của kênh truyền tín hiệu tương tự được xác định bởi tỷ số S/N tại đầu ra của trạm mặt đất, cụ thể là tại đầu ra bộ giải điều chế của thiết bị trạm mặt đất.
Mật độ phổ tạp âm đầu ra bộ tách sóng:
- σ FM (V/Hz) là hệ số đặc trưng cho bộ giải điều chế
- A là biên độ sóng mang
- N0 là mật độ phổ tạp âm tại đầu vào bộ giải điều chế
Với bộ điều chế cho độ rộng phổ tần (0-fmax) thì tỷ số tín hiệu / tạp âm tại đầu ra bộ giải điều chế là:
S/N = 3[2 fmax] (∆fmax/fmax) 2 (C/N0) (2.2) Đối với kênh thoại SCPC/FM, tỷ số S/N là :
S/N = 3[(fT) 2 /(fmax)2]pw (C/N0) (2.3) trong đó:
Tần số thử nghiệm di tần là ΔF_T, với tần số cực đại của tín hiệu thoại đạt 3400 Hz Hệ số cải thiện do tiền nhấn và giải nhấn được ký hiệu là p và w Nếu không có nhấn, giá trị của p và w là 6,3 dB; trong trường hợp có nhấn, p đạt 17 dB và w là 2,5 dB.
(C/N 0 ) là tỷ số công suất sóng mang trên mật độ phổ tạp âm tại đầu vào máy thu
Máy thu cần có độ rộng băng tần B tương đương với băng tần chiếm dụng của sóng mang Độ rộng băng tần tương đương của tạp âm B N cũng phải bằng độ rộng băng tần của máy thu B.
B = B N = 2(F p + f max ) (Hz) Trong đó F p là di tần đỉnh (cực đại).
Kênh vệ tinh truyền tín hiệu số
Điều chế số và khuếch đại sóng mang
Phân tán bit Nguồn tín hiệu số
Nguồn tín hiệu tương tự
R c (bit/s) Tốc độ ký hiệu
Giải mã bảo mật Đến người sử dụng
Hình 2.2: Sơ đồ khối chức năng một kênh vệ tinh truyền tín hiệu số điển hình 2.4.1 Ghép kênh TDM
Trong lĩnh vực thông tin vệ tinh, hai chuẩn ghép kênh TDM phổ biến hiện nay là G.732 và G.733 của châu Âu (CEPT), cùng với chuẩn sóng mang T được sử dụng tại Mỹ và Canada Mặc dù còn tồn tại chuẩn của Nhật Bản, nhưng nó không được áp dụng rộng rãi.
Chuẩn ghép kênh số châu Âu được thiết lập dựa trên khung 256 bit với thời gian khung là 125 micro giây Tốc độ bit đạt 2,048 Mbit/s và khung 125 micro giây được chia thành 32 khe thời gian, được đánh số từ 0 đến 31, mỗi khe thời gian có độ dài 3,9 micro giây.
s gồm một từ mã 8 bit, hoặc thời gian bit dài 488 ns Dung lượng ghép kênh là
30 kênh thoại và hai kênh dành cho báo hiệu và đồng bộ
Chuẩn sóng mạng T của Mỹ sử dụng khung 192 bit, bao gồm 24 kênh với mỗi mẫu 8 bit Khung có độ dài 125 s và tốc độ bit đạt 1.544 Mbps Trong số 24 kênh, có một kênh đồng bộ, và khung cũng chứa bit đồng bộ.
Bảng 2.1 nêu một số tham số của các chuẩn ghép kênh
Bảng 2.1: Đặc điểm ghép kênh của CEPT và sóng mang T
CEPT Mỹ/Ca-na-đa Nhật Bản
2.4.2 Mã hóa mật dữ liệu
Để đảm bảo an toàn cho dữ liệu, việc mã hóa là cần thiết, và có hai loại mã hóa chính: đối xứng và không đối xứng Trong các hệ thống truyền tin qua vệ tinh, mã hóa đối xứng thường được áp dụng, với khóa mật giống nhau cho cả hai bên phát và thu Hai kỹ thuật mã hóa phổ biến được sử dụng trong lĩnh vực này là
1 Mật mã trực tuyến (on-line encryption), tức dãy bit (bản tin rõ) được trộn (cộng modul 2) với một dãy khóa mã (có thể là một dãy giả ngẫu nhiên) để tạo thành bản tin mật và truyền đi Phía thu sẽ giải mã theo quy trình ngược lại
2 Mã hóa mật theo khối, ví dụ sử dụng mật mã chuẩn DES (Data Encryption Standard) hoặc 3DES, 4DES với phía phát và phía thu có khóa mật giống nhau để mã hóa và giải mã Hai phương thức bảo mật trên chủ yếu là để chống kẻ xâm nhập khai thác đoạn tin truyền, bởi vì vùng phủ sóng của vệ tinh khá rộng, việc thu sóng vệ tinh không có gì là khó khăn
Ngoài hai phương pháp trên còn có các phương pháp bảo mật khác, chống kẻ xâm nhập làm giả hoặc làm sai lạc đoạn tin truyền
Mã hóa kênh có nhiệm vụ quan trọng trong việc phát hiện và sửa lỗi dữ liệu truyền Điều này là cần thiết do sự nhiễu trong môi trường truyền và các yếu tố tác động khác, dẫn đến việc đoạn tin nhận được ở phía thu có thể bị lỗi và không giống với đoạn tin phía phát.
Các bit dư r được thêm vào
Tốc độ bit R b Tốc độ bit R c
Hình 2.3 Mô hình nguyên lý mã hóa kênh
Nguyên lý mã hóa kênh là việc thêm bit kiểm tra vào dữ liệu nguồn theo quy tắc nhất định, nhằm phát hiện và sửa lỗi trong quá trình truyền tải Hình 2.3 minh họa cách thức hoạt động của mã hóa kênh.
Trong các kênh thông tin vệ tinh, các mã kênh sau đây thường được lựa chọn sử dụng:
Mã kiểm tra độ dư vòng CRC-16 và CRC-32 được chuẩn hóa với đa thức sinh g(x) nhất định, có vai trò quan trọng trong việc phát hiện lỗi (không sửa lỗi) trong trường tiêu đề của các giao thức truyền tin số.
- Mã cyclic khối hệ thống được sử dụng kiểm tra và sửa lỗi trong trường dữ liệu có cấu trúc khối
- Mã chập (convolutional code) được ứng dụng để kiểm tra và sửa lỗi trong trường dữ liệu nếu dự liệu truyền có cấu trúc dãy
- Dữ liệu truyền hình có cấu trúc khung, hàng và cột thích hợp nhất là nên sử dụng mã Reed-Solomon (RS), trong đó GF(q) = GF(2 8 )
2.4.4 Điều chế số Điều chế số ở đây được hiểu là tín hiệu bị điều chế là tín hiệu số còn tín hiệu sóng mang vẫn là tín hiệu tương tự Hình 2.4 mô tả nguyên lý của bộ điều chế số trong kênh thông tin vệ tinh Bộ điều chế đó gồm 3 khối chính, đó là:
- Khối tạo tín hiệu (symbol generator)
- Bộ tạo tín hiệu sóng mang tần số vô tuyến
Bộ tạo ký hiệu tạo ra các ký hiệu với M trạng thái, trong đó M = 2 m , từ m bit liên tiếp nhau của dãy dữ liệu nhị phân đầu vào
Bộ mã hóa tạo ra sự tương ứng giữa M trạng thái của các ký hiệu và M trạng thái khả thi của sóng mang được truyền Hiện nay, có hai loại bộ mã hóa chính.
- Mã hóa trực tiếp: một trạng thái của ký hiệu xác định một trạng thái của sóng mang
Mã hóa chuyển tiếp, hay còn gọi là mã hóa vi phân, là một phương pháp mã hóa trong đó ký hiệu xác định sự chuyển tiếp giữa hai trạng thái liên tiếp của sóng mang.
Nếu R_c là tốc độ bít tại đầu vào bộ điều chế và R_s là tốc độ bít tại đầu ra bộ điều chế, thì mối quan hệ giữa chúng có thể được diễn đạt như sau:
Các tín hiệu điều chế số thường được sử dụng trong các hệ thống thông tin vệ tinh là: BPSK, DE-BPSK, M-PSK, QAM, M-QAM
Bộ tạo ký hiệu kênh
Bộ tạo sóng mang kênh
Hình 2.4 Mô tả nguyên lý bộ điều chế số của truyền tin số qua kênh thông tin vệ tinh
Bộ giải điều chế số có chức năng đồng nhất pha hoặc dịch pha của sóng mang thu được, từ đó suy ra giá trị các bit trong dãy bit nhị phân được truyền.
Bộ giải điều chế sử dụng tín hiệu tham chiếu hình sin nội bộ với tần số và pha tương đồng với sóng điều chế ở máy phát Sóng mang thu được sẽ được so sánh pha với tín hiệu tham chiếu của bộ giải điều chế, từ đó hồi phục lại dãy bit đã được truyền từ bộ mã hóa.
Nhiễu, can nhiễu và tính toán dự trữ tuyến
Nhiễu, can nhiễu
Trong luận văn này, sử dụng hai khái niệm là nhiễu và can nhiễu
Nhiễu (noise) là các tín hiệu không mang thông tin, như nhiễu trắng và nhiễu nhiệt, gây ảnh hưởng tiêu cực đến độ tin cậy của máy thu trong việc tái tạo thông tin từ tín hiệu hữu ích.
Can nhiễu (interference) là hiện tượng xảy ra khi các tín hiệu chứa thông tin nào đó nhưng không mang lại giá trị hữu ích cho máy thu Những tín hiệu này có thể làm giảm chất lượng và độ chính xác của thông tin mà thiết bị cần tái tạo.
Nhiễu
Công suất nhiễu có hại xuất hiện trong băng tần của tín hiệu hữu ích với mật độ phổ công suất N0 (W/Hz) đồng đều được gọi là nhiễu trắng, hay còn gọi là nhiễu Gaussian Trong nhiều tài liệu, loại nhiễu này được biết đến với tên gọi nhiễu Gaussian trắng cộng, viết tắt là AWGN (Additive White Gaussian Noise).
Công suất nhiễu tương đương N(W) đo được trong độ rộng băng tần
BN(Hz) có giá trị là:
Trong thực tế, các nguồn nhiễu không nhất thiết phải có mật độ phổ công suất hằng số; tuy nhiên, mô hình này phù hợp để biểu thị nhiễu được quan sát trong các băng tần có giới hạn.
Công suất nhiễu N từ một nguồn nhiễu nhiệt tác động vào độ rộng băng tần
B của thiết bị thu được biểu thị bởi biểu thức:
K = hằng số Boltzman = 1,379.10 -13 = 228,6 dB (W/HzK);
T e = nhiệt độ nhiệt động (thermodynamic temperature) của nguồn nhiệt
Nhiệt độ nhiễu Te của phần tử bốn cực được xác định thông qua nhiệt độ nhiệt động của một điện trở ở đầu vào, giả định rằng phần tử không có nhiễu Điều này giúp xác định công suất nhiễu đầu ra của phần tử, và được hiểu là nhiệt độ vật lý.
Hệ thống thực có nhiễu Công suất nhiễu có giá trị giống nhau N=k.Te.G.B
Hệ thống không nhiễu G = Độ lợi công suất của hệ thống Nhiệt độ vật lý T = Te Đầu vào không nhiễu T = 0
Hình 3.1 Mô tả nhiễu nhiệt tương đương ở đầu vào một hệ thống
Nhiệt độ nhiễu của anten
Các máy thu trong hệ thống thông tin vệ tinh có độ nhạy cao và sử dụng anten với búp sóng hẹp, điều này khiến cho nhiễu từ các nguồn bức xạ của vật thể trong không gian có thể xâm nhập vào búp sóng thu Do đó, việc xác định nhiễu tại đầu vào máy thu trở thành một vấn đề quan trọng Công suất nhiễu được xác định theo biểu thức (3.2), trong đó các tham số k (hằng số Boltzmann) và B (độ rộng băng tần) đã được biết, chỉ cần xác định nhiệt độ T e.
Anten trong trường hợp này được giả sử như một nguồn nhiễu, được đặc trưng bởi một nhiệt độ nhiễu và được gọi là nhiệt độ nhiễu của anten, T A (K)
Nhiệt độ chói T b (q,) của một vật thể bức xạ theo hướng (q,) kết hợp với hàm phương hướng G(q,) của anten cho phép xác định nhiệt độ TA của anten Nhiệt độ này được tính từ búp sóng thu nhận được từ tất cả các vật thể bức xạ trong không gian thông qua một biểu thức tích phân.
Hình 3.2 là một mạch tương đương để xác định nhiệt độ nhiễu tại đầu vào của một máy thu trong thệ thống thông tin vệ tinh
Mạch tương đương bao gồm một anten được kết nối với máy thu qua đường dây phi đơ, với sự suy hao và nhiệt độ nhiệt động TF gần bằng T0 = 290 K Suy hao LFRX tương ứng với độ lợi GFRX, có hệ số truyền đạt là GFRX = 1/.
L FRX và có giá trị nhỏ hơn 1
Hình 3.2 Mạch tương đương để tính nhiệt độ nhiễu của hệ thống thu
Nhiệt độ nhiễu của hệ thống sẽ được xác định tại hai điểm sau
- Tại đầu ra của anten, trước kết nối có nhiệt độ là T1
- Tại đầu vào của máy thu, sau suy hao kết nối, có nhiệt độ là T 2
Nhiệt độ nhiễu T 1 là tổng của nhiệt độ nhiễu anten T A và nhiệt độ nhiễu của hệ thống con bao gồm các kết nối
Nếu tại đầu vào của máy thu nhiệt độ đó cần được suy giảm một hệ số là
LFRx (do phối hợp trở kháng) ; thay GFRX = 1/LFR như vậy nhiệt độ nhiễu T2 tại đầu vào máy thu sẽ là :
T2 = T1/LFRx = TA/LFRX = TA/LFRX + TF(1-1/LFRX) + TR (K) (3.5) Trong đó :
TF = nhiệt độ nhiễu của đường dây phi đơ ;
LFRX = tổn hao đường dây phi đơ của máy thu ;
GFRX = hệ số truyền đạt (độ lợi) của đường dây phi đơ ;
Nhiệt độ nhiễu (TR) của máy thu là yếu tố quan trọng trong việc xác định sự góp mặt nhiễu trong một hệ thống Tại điểm xem xét, thường là đầu vào của máy thu, nhiệt độ nhiễu được xác định và được gọi là nhiệt độ nhiễu của hệ thống Tại điểm này, tất cả các nhiệt độ nhiễu từ cả hai chiều (xuôi và ngược) đều được tính đến, vì chúng đều ảnh hưởng đến điểm xem xét.
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào máy thu
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) là tỷ lệ giữa cường độ tín hiệu thu được và mức độ nhiễu tại đầu vào của máy thu Có nhiều dạng tỷ số tín hiệu trên nhiễu khác nhau cần được xem xét.
Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu, ký hiệu là C/N, là một yếu tố quan trọng trong thiết kế công suất sóng mang điều chế Tỷ số này giúp đánh giá chất lượng tín hiệu và khả năng truyền tải thông tin hiệu quả.
- Tỷ số công suất tín hiệu trên mật độ phổ công suất nhiễu : được ký hiệu là C/N 0 , có thứ nguyên là Hz
- Tỷ số công suất tín hiệu trên nhiệt độ nhiễu, ký hiệu là C/T (tỷ số tương ứng với C/N0 có nhân thêm hằng số Boltzman k ;
Trong ba loại tỷ số trên thì tỷ số C/N0 thường được sử dụng phổ biến
3.4.2 Các biểu thức tính toán C/N 0 ở đầu vào thiết bị thu
Công suất tín hiệu thu được tại đầu vào máy thu được gọi là PRx, và có thể xác định từ công suất phát PT thông qua các tổn hao của kênh truyền Tỷ số C/N0 có thể được biểu thị đơn giản thông qua công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power).
C/N0 = (EIRPmáy phát) (1/tổn hao kênh truyền) (độ lợi máy thu / nhiệt độ nhiễu)(1/k) (Hz) (3.6)
Tỷ số C/N0 cũng có thể được biểu thị như một hàm của mật độ dòng công suất :
C/N0 = (λ 2 /4)(độ lợi máy thu/nhiệt độ nhiễu) (1/k) (Hz) (3.7) Trong đó :
Tỷ số C/N0 được đánh giá độc lập với vị trí lựa chọn và công suất tín hiệu, trong khi mật độ phổ công suất được tính toán tại cùng một điểm Công thức tính toán là = (EIRP máy phát) / 4R 2 (W/m 2 ).
Trong biểu thức (3.6) trên có 3 yếu tố cần lưu ý đó là:
- EIRP, đặc trưng cho thiết bị phát;
- (1/L = 1/L FS L A ) đặc trưng cho môi trường truyền;
- (Độ lợi máy thu/ nhiệt độ nhiễu) đặc trưng cho thiết bị thu Đại lượng này còn được gọi là G/T của máy thu.
Tỷ số C/N 0 đối với một kênh truyền trạm mặt đất – trạm mặt đất
Tỷ số C/N0 của một kênh truyền từ một trạm mặt đất này đến trạm mặt đất khác; qua bộ phát đáp vệ tinh, ký hiệu là (C/N0)
Sau đây xem xét hai trường hợp:
- Hệ thống không có can nhiễu từ các hệ thống khác
- Hệ thống có can nhiễu
3.5.1 Biểu thức của (C/N 0 ) trong trường hợp không có can nhiễu từ các hệ thống khác
Công suất tín hiệu từ trạm mặt đất được ghi nhận tại đầu vào máy thu, ký hiệu là CD Nhiễu tại đầu vào máy thu là tổng hợp của nhiễu từ tuyến xuống và tuyến lên.
- Tỷ số (C/N0) của tuyến xuống, ký hiệu là (C/N0)D trong đó (N0)D = kTD và
TD của hệ thống thu được tính theo biểu thức 3.5 đã được phân tích ở mục trước
- Nhiễu của tuyến lên sẽ được bộ phát đáp vệ tinh truyền lại tuyến xuống, do đó:
G = GSLGTGR/LFTx.LD.LFRx là công thức tính tổng độ lợi công suất giữa máy thu bộ phát đáp vệ tinh và máy thu trạm mặt đất Trong đó, G SL, G T, G R lần lượt đại diện cho độ lợi của bộ phát đáp vệ tinh, máy phát và máy thu tại trạm mặt đất.
(C/N0) -1 = (N0)CD = [(N0)D + G(N0)u]/CD = (N0)D/CD + (N0)u/G -1 CD (Hz -1 )
Trong biểu thức (3.10) trên, giá trị G -1 CD là đại diện cho công suất tín hiệu tại đầu vào máy thu bộ phát đáp vệ tinh Do đó (N 0 ) u /G -1 C D = (C/N 0 ) u -1
3.5.2 Biểu thức của (C/N 0 ) trong trường hợp có can nhiễu
Kênh truyền vệ tinh có thể bị can nhiễu khi các tín hiệu từ nguồn khác chồng lên tín hiệu hữu ích, gây ảnh hưởng đến việc truyền tải thông tin từ trạm mặt đất qua bộ phát đáp vệ tinh.
- Tại đầu vào của bộ phát đáp (repeater) ở tuyến lên;
- Tại đầu vào của máy thu trạm mặt đất ở tuyến xuống
Do tác động của can nhiễu, tín hiệu can nhiễu chồng lên tín hiệu hữu ích, do đó mật độ phổ của nhiễu N0 cũng gia tăng:
(N0)I thể hiện sự gia tăng mật độ phổ công suất nhiễu do can nhiễu, dẫn đến sự biến đổi giá trị (C/N0)U của tuyến lên và (C/N0)D của tuyến xuống theo công thức đã đề cập.
(C/N 0 ) U -1 = [(C/N 0 ) U -1 ]không can nhiễu + (C/N 0 ) IU -1 (Hz -1 ) (C/N 0 ) D -1 = [(C/N 0 ) D -1 ]không can nhiễu + (C/N 0 ) ID -1 (Hz -1 ) (3.13)
Và tỷ số (C/N0) của toàn tuyến sẽ là:
(C/N0) -1 = (C/N0)U -1 + (C/N0)D -1 + (C/N0)I -1 (Hz -1 ) (3.14) Trong đó (C/N0)U và (C/N0)D được tính theo biểu thức (3.11) và
Ví dụ tính giá trị tỷ số C/N 0 cho toàn tuyến kênh truyền (giữa hai trạm mặt đất qua bộ phát đáp vệ tinh)
- Tần số tuyến lên: f U = 14 GHz
- Tần số tuyến xuống: fD = 12 GHz
- Suy hao tuyến xuống: LD = 206 dB
- Các tham số của bộ phát đáp vệ tinh:
* Mật độ dòng công suất ở chế độ bão hòa ( Sat SL ) -90dB(w /m 2) Độ lợi trên trục anten thu: Grmax = 30 dB
Tỷ số G/T của thiết bị thu được xác định là (G/T)SL = 3.4 dB (K -1) Đặc tuyến của bộ phát đáp hoạt động với sóng mang đơn thể hiện độ lùi công suất ra (OBO) và độ lùi công suất vào (IBO).
OBO = IBO (dB) + 6 – 6exp[IBO(dB)/6]
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ở chế độ bão hòa (EIRPSat)SL đạt 50 dB (W), trong khi độ lợi trên trục anten phát là Gmax = 40 dB Các tổn hao khác đã được bỏ qua trong tính toán này.
Tổn hao phi đơ thu và phát: LFRx = LFTx = 0 dB Tổn hao lệch phân cực: LPOL = 0 dB
Các tổn hao về sai sót lắp đặt: LR = LT = 0
- Đối với trạm mặt đất (Earth Station):
Tỷ số (G/T) Es là 25 dB (K -1) với giả thiết không có can nhiễu Để tính độ lợi của bộ phát đáp ở chế độ bão hòa (G Sat) SL, ta sử dụng công thức: (G Sat) SL = Công suất ra ở bão hòa / công suất vào bão hòa, trong đó (G Sat) SL = (P 0 1) sat / (P i 1) sat.
(P0 1)sat = (EIRPsat)SL LT LFTx / GTmax (W) = 50 dB (w) – 40 dB = 10 dB (W) = 10 W /(Pi 1)sat = (Sat) GRmax / LFRx LR (4/λu 2) (W) = 36 pW
Tỷ số GSat được tính bằng công thức (GSat)SL = (P0 1)Sat /(Pi 1)Sat, cho kết quả là 10 dB (w) – (-104,4 dB(w)) = 114,4 dB Bên cạnh đó, tỷ số C/N0 của tuyến lên, tuyến xuống và toàn tuyến sẽ được xác định trong trường hợp bộ phát đáp hoạt động ở chế độ bão hòa.
= 94,6 dB toàn tuyến c) Tính tỷ số C/N 0 của tuyến trong trường hợp bộ phát đáp làm việc ở chế độ tuyến tính
Các giá trị tỷ số C/N0 cho tuyến lên và tuyến xuống được tính toán trong mục (b) với điều kiện bộ khuếch đại công suất ra của bộ phát đáp hoạt động ở chế độ bão hòa (Sat) và đơn sóng mang (1) Trong thực tế, bộ phát đáp có thể hoạt động với đa sóng mang và ghép kênh Để giảm thiểu can nhiễu từ đồng kênh, kênh lân cận và các nguồn can nhiễu khác, cần phải điều chỉnh công suất vào (OBO - Output Back Off) tương ứng với công suất vào (IBO - Input Back Off) nhằm đảm bảo bộ khuếch đại công suất ra hoạt động trong vùng tuyến tính của đường đặc tuyến (Pra/Pvào).
IBO = -16,4 dB OBO = - 10,8 dB Thì lúc đó:
(C/N0)U = IBO(C/N0)Usat = - 16,4 dB + 97,6 dB = 81,2 dB (Hz) (C/N0)D = 0BO(C/N0)Dsat = - 10,8 dB + 97,6 dB = 86,8 dB (Hz).
Xác suất lỗi bit đối với tín hiệu truyền là điều chế khóa dịch pha M mức
Tín hiệu điều chế khóa dịch pha M mức (M-PSK) là công nghệ phổ biến trong các kênh truyền tin số tốc độ cao của hệ thống thông tin vệ tinh Trong đó, M đại diện cho số trạng thái pha của tín hiệu, có thể là 2, 4, 6, 8, 16, hoặc 2^n, với n là số ký hiệu hoặc số bit trong trạng thái pha M-PSK thường được minh họa bằng giản đồ trạng thái pha (phaser diagram) hay giản đồ chòm sao (constellation diagram), trong đó mỗi trạng thái (hoặc chòm sao) có pha phân biệt, tương ứng với một sóng mang được truyền tại thời điểm cụ thể.
Hình 3.3 trình bày giản đồ trạng thái của tín hiệu 16-PSK, với 16 trạng thái pha phân biệt, mỗi trạng thái mang 16 bit thông tin Đặc biệt, biên độ tín hiệu được giữ cố định cho tất cả các trạng thái pha trên vòng tròn trong mặt phẳng phức hợp.
Xác suất lỗi ký hiệu trong các hệ thống M-PSK được xác định thông qua tích phân hai chiều của hàm mật độ xác suất nhiễu quanh trạng thái pha của tín hiệu, trung bình trên vùng lỗi Vùng có gạch chéo trong hình 3.4 biểu thị vùng lỗi cho trạng thái pha 0 Phương pháp tính này cho kết quả tương đối chính xác, nhưng các phép toán khá phức tạp, chủ yếu áp dụng cho nhiễu Gaussian Hình 3.5 trình bày các đường cong xác suất lỗi P e cho nhiều giá trị M khác nhau của tín hiệu MPSK.
Hình 3.3 Giản đồ trạng thái pha (giản đồ các chòm sao) của tín hiệu 16-PSK
Hình 3.4 Mô tả vùng lỗi (có gạch chéo) đối với trạng thái = 0 của tín hiệu
Hình 3.5: Đồ thị xác suất lỗi ký hiệu P e của tín hiệu M-PSK theo phương pháp tích phân hàm mật độ xác suất vùng lỗi
Một phương pháp tính gần đúng để xác định xác suất lỗi P e, thường được áp dụng cho các tín hiệu M-PSK với M ≥ 4, là tương đối đơn giản và hiệu quả.
Biểu thức 3.16 có độ chính xác tốt hơn nếu M và
N có giá trị lớn Biểu thức cũng có thể được biểu thị theo tham số C
N bằng cách sử dụng biểu thức
T và N = N0B Như vậy sẽ có:
N = tỷ số sóng mang thu được trên nhiễu;
T 0 = thời gian tồn tại của ký hiệu
Thông tin trong các sóng mang con của tín hiệu M-PSK có thể được truyền tải qua mã hóa hoặc quá trình ánh xạ bit Việc phát hiện lỗi một ký hiệu có thể dẫn đến một số lỗi bit trong chuỗi bit được giải mã.
Xác suất lỗi bit như vậy không những phụ thuộc vào xác suất lỗi ký hiệu,
Entropy, ký hiệu H = log2M, ảnh hưởng đến xác suất lỗi trong tín hiệu 16 PSK Trong trường hợp này, lỗi phổ biến nhất là phát hiện sai trạng thái pha so với trạng thái lân cận Khi sử dụng mã Gray để ánh xạ các bit vào các trạng thái pha, chỉ một lỗi bit đơn được phát hiện, làm cho xác suất lỗi trong trường hợp này trở nên không đáng kể Xác suất lỗi bit có thể được biểu thị bằng biểu thức: log 2 e b.
Để so sánh hiệu năng của các dạng điều chế PSK khác nhau, chúng ta sử dụng mật độ xác suất lỗi bit Pb, được biểu thị như một hàm của năng lượng bit trung bình Eb: log 2 e b.
Như vậy sẽ có sự so sánh công bằng Thay thế biểu thức 3.19 vào 3.16 và
Và nếu theo tỷ số C
Bảng so sánh hiệu năng của các phương pháp điều chế M-PSK cho thấy BPSK, hay còn gọi là khóa dịch đảo ngược pha (PRK), đạt hiệu suất 1 bit/s/Hz.
Bảng 3.1 So sánh một số tham số hiệu năng của MPSK
Loại điều chế Tỷ số E b /N 0 được yêu cầu đối với P b = 10 -
6 Độ rộng băng tần tối thiểu (không có ISI) – R b = tốc độ bit
Hiệu suất phổ cực đại (bit/s/Hz)
Tỷ số C/N yêu cầu trong độ rộng băng tần tối thiểu của kênh
Xác suất lỗi bit đối với tín hiệu truyền là điều chế M-QAM
Điều chế biên độ cầu phương QAM là một phương pháp điều chế số, trong đó thông tin số được mã hóa cả trong biên độ và góc pha của sóng mang Phương pháp này còn được biết đến với tên gọi khóa biên độ/pha, hay APK (Amplitude Phase Keying), và sẽ được gọi là M-QAM trong bài viết này.
Hình 3.7 minh họa ba dạng giản đồ chòm sao cho tín hiệu 16-QAM Trong hình 3.7a, có hai mức biên độ và tám mức trạng thái pha trên mỗi vành Hình 3.7b thể hiện hai mức biên độ với 12 trạng thái pha riêng biệt Cuối cùng, hình 3.7c có ba mức biên độ, cho thấy sự đa dạng trong cách biểu diễn tín hiệu 16-QAM.
9 trạng thái pha riêng biệt
Hình 3.7: Ba dạng giản đồ chòm sao của tín hiệu 16-QAM
Biểu thức gần đúng cho xác suất lỗi ký hiệu đối với tín hiệu M-QAM trong trường hợp có nhiễu Gaussian là:
Trong đó E là năng lượng trung bình của ký hiệu QAM Đối với ký hiệu dạng xung vuông thì E sẽ là:
ΔV là điện thế cách biệt vuông pha và đồng pha lân cận; T0 biểu thị thời gian tồn tại của ký hiệu Khi áp dụng công thức C = T0 và N = N B 0, biểu thức 3.22 có thể được diễn đạt lại.
Các ký hiệu trong tín hiệu QAM chiếm dụng không gian phổ tương tự như tín hiệu MPSK, do đó hiệu suất phổ của chúng là đồng nhất Hiệu suất này được tính theo biểu thức cụ thể.
Trong đó: s = hiệu suất phổ (spectral efficiency)
T0 = thời gian tồn tại của ký hiệu (tốc độ ký hiệu
Bảng 3.2: So sánh một số tham số về tỷ số C
N của một số tín hiệu điều chế MQAM và MPSK ứng với xác suất lỗi P b = 10 -6 và T 0 B = 1,0
Tín hiệu điều chế Tỷ số C/N (dB) Tỷ số E b /N 0 (dB)
(Đường nét đứt là MPSK, đường nét đậm là MQAM)
Hình 3.8: So sánh xác suất lỗi bit của các hệ thống MPSK và MQAM
Hình 3.9: So sánh hiệu suất phổ của các hệ thống MPSK và MQAM
Hiệu năng của hệ thống trong trường hợp sử dụng kỹ thuật kiểm soát lỗi và bảo mật dữ liệu
Nguyên lý kiểm soát lỗi
Nguyên lý kỹ thuật kiểm soát lỗi trong hệ thống truyền tin số là việc thêm bit kiểm tra vào bit thông tin để phát hiện và sửa lỗi do tác động của kênh truyền Mã được sử dụng cho mục đích này gọi là mã kênh, bao gồm nhiều loại như mã khối, mã cyclic, mã BCH, mã RS, và mã chập Những mã này có thể là nhị phân hoặc không nhị phân.
Hình 4.1: Mô tả nghiên cứu bộ mã hóa kênh
Tốc độ mã được xác định là: p k
(4.1) trong đó k là số bit thông tin và r là số bit dư được cộng thêm vào
Gọi R b là tốc độ bit ở đầu vào bộ mã hóa, tại đầu ra của bộ mã hóa sẽ có tốc độ Rc lớn hơn Rb và bằng: b c
Giải mã, phát hiện lỗi và sửa lỗi Quan hệ giữa xác suất lỗi bit vào và ra
Nguyên lý hoạt động của bộ giải mã kênh dựa trên các quy tắc và bit dư được đưa vào trong quá trình mã hóa nhằm phát hiện và sửa lỗi Có hai kỹ thuật chính có thể áp dụng độc lập hoặc kết hợp với nhau để đạt hiệu quả cao hơn.
- Sửa lỗi có sự tác động (mã hóa) trước, FEC (Forward-acting Error Correction);
- Yêu cầu truyền lại tự động, ARQ (Automatic Request)
Tại đầu vào của bộ giải mã, tốc độ bit được xác định là Rc, tương ứng với tốc độ đầu ra của bộ mã hóa, trong khi xác suất lỗi bit được ký hiệu là (Pe)vào Ở đầu ra của bộ giải mã, tốc độ thông tin là Rb.
Tốc độ đầu vào của bộ mã hóa ảnh hưởng đến xác suất lỗi bit ở đầu ra của bộ giải mã (Pe)ra, với giá trị của Pe)ra luôn nhỏ hơn xác suất lỗi bit ở đầu vào Hình 4.2 minh họa mối quan hệ giữa (Pe)ra và (Pe)vào.
Hình 4.2 Mô tả quan hệ giữa (P e ) ra tại đầu ra của một bộ giải mã sửa lỗi và xác suất lỗi bit (P e ) vào
Hiệu năng của một hệ thống có điều chế và mã hóa kênh
Xác suất lỗi bit tại đầu vào bộ giải mã kênh (P e )vào phụ thuộc vào tỷ số E c /N o và loại điều chế/giải điều chế của hệ thống Trong khi đó, xác suất lỗi bit tại đầu ra bộ giải mã kênh (P e )ra thường được thể hiện như một hàm của tỷ số E b /N o ở đầu vào trong trường hợp không mã hóa kênh Tỷ số E b /N o có mối liên hệ với E c /N o trong trường hợp có mã hóa kênh theo một biểu thức cụ thể.
Độ lợi giải mã được xác định bởi hiệu số E b /N o, trong đó E b /N o = E c /N o - 10logp, với p là tốc độ mã được tính theo biểu thức (4.2) Giá trị của P e được mô tả trong hình 4.3.
Bảng 4.1 trình bày các giá trị điển hình về hiệu năng của giải mã kênh, liên quan đến tốc độ mã, tỷ số E b /N o và xác suất lỗi bit với P b = 10 -6.
Hình 4.3: Mô tả hiệu năng của một hệ thống có điều chế và mã hóa kênh: định nghĩa về độ lợi giải mã
Một ưu điểm của dự trữ tuyến (link budget) trong các kênh thông tin vệ tinh là độ lợi mã hóa tăng cường băng thông sử dụng trong tuyến không gian Cụ thể, khi cần truyền tốc độ bit R c lớn hơn R b, băng thông sử dụng sẽ được điều chỉnh tương ứng.
B = R c = R b /p., trong đó là hiệu suất phổ ( = tốc độ sóng mang/độ rộng băng tần chiếm dụng = R c /B)
Bảng 4.1 trình bày các giá trị điển hình về hiệu năng giải mã kênh, liên quan đến tốc độ mã và tỷ số E_b/N_0, cùng với xác suất lỗi bit P_b = 10^{-0} Những thông tin này cung cấp cái nhìn rõ ràng về mối quan hệ giữa hiệu suất mã hóa và điều kiện truyền dẫn, giúp tối ưu hóa quá trình truyền thông.
Tốc độ mã hóa E b /N o yêu cầu đối với P b = 10 -6 Độ lợi giải mã
Một số ví dụ tính toán
- Tuyến truyền tin vệ tinh có tỷ số (C/N o ) T = 85 dB (Hz);
- Độ rộng băng tần của bộ phát đáp vệ tinh: B = 36 MHz;
- Yêu cầu đảm bảo truyền dữ liệu tại tốc độ R b = 36 Mbps với xác suất lỗi bit Pe = 10 -6
- Điều chế sử dụng là QPSK với hiệu suất phổ cho: = 1,5 bit/s Hz a) Tính toán các thông số trong trường hợp không sử dụng mã kênh (p = 1)
- Tốc độ bit được truyền là: R c = R b = 36 Mbps;
- Độ rộng dải tần được sử dụng là: B = R c / = 36 Mbit/s/1,5 bit/s Hz = 24 MHz;
(chỉ sử dụng 2/3 độ rộng dải tần của bộ phát đáp)
- Giá trị yêu cầu của tỷ số (C/N o ) T là:
Trong bài viết này, chúng ta xem xét công thức (C/N o) T = (E b /N o) 1 R b mà không có mã hóa kênh, dẫn đến (E b /N o) = R c /N o Để đạt được xác suất lỗi bit là 10^-6, theo bảng 4.1, giá trị (E b /N o) 1 cần đạt 10,5 dB Giả định suy giảm của bộ giải mã là 1,5 dB, do đó (E b /N o) 1 sẽ là 10,5 dB + 1,5 dB = 12 dB.
(C/N o ) 1 = (E b /N o ) 1 R b = 12 dB + 10 log36.10 6 = 87,6 dB (Hz) b) Tính toán các thông số trong trường hợp có sử dụng mã kênh với p = 2/3
- Tốc độ bit được truyền là
- Độ rộng dải thông được sử dụng là
- Giá trị yêu cầu của (C/No)T là
Để đạt được xác suất lỗi Pe = 10^-6, theo bảng 4.1, ta có (E b /N o )2 = 5,7 dB Điều này cho thấy lợi ích về độ lợi giải mã là 4,8 dB, so với trường hợp không mã hóa, với giá trị tính toán là 10,5 - 5,7 = 4,8 dB Giả định rằng suy giảm của bộ giải mã là 1,5 dB.
Tỷ số C/N0 được tính bằng công thức (C/N0)2 = (Eb/N0)2, với Rb = 7,2 dB + 10log(36.10^6) = 82,8 dB (Hz) Nhận xét cho thấy, với một giá trị xác suất lỗi bit (Pe) yêu cầu, hệ thống sử dụng mã kênh có tỷ số C/N0 thấp hơn so với hệ thống không sử dụng mã kênh Điều này đồng nghĩa với việc công suất phát sẽ giảm, điều này đặc biệt quan trọng đối với thiết bị phát của bộ phát đáp trên vệ tinh, giúp giảm trọng lượng của vệ tinh.
- Hiệu suất sử dụng độ rộng băng tần của hệ thống có sử dụng mã kênh lớn hơn so với hệ thống không sử dụng mã kênh
Tốc độ mã Rb ảnh hưởng đến chỉ số điều chế trong điều chế tần số; khi giảm tốc độ mã, bang tần sẽ được nới rộng, dẫn đến tỷ số C/N0 giảm.
Hình 4.4 thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ bit R b của thông tin và giá trị (C/N 0 ) = (C/N 0 ) T, liên quan đến xác suất lỗi bit không đổi tương ứng với tốc độ mã.
Tốc độ bit thông tin R b
Vùng giới hạn công suất
Vùng giới hạn băng tần
Hình 4.4: Mô tả tốc độ thông tin (R b ) là một hàm số của tỷ cố C/N 0 tại xác suất lỗi bit P e hằng số và độ rộng dải tần cho
Yêu cầu truyền lại tự động
Kỹ thuật ARQ (Automatic Repeat Request) được sử dụng phổ biến trong truyền dữ liệu theo gói, nơi bộ giải mã phát hiện lỗi nhưng không sửa lỗi Khi phát hiện gói tin có lỗi, bộ giải mã sẽ gửi tín hiệu yêu cầu máy phát truyền lại gói tin đó, đòi hỏi một kênh tín hiệu từ máy thu đến máy phát, có thể là kênh vệ tinh hoặc kênh mặt đất trong thông tin vệ tinh Việc áp dụng các mã phát hiện lỗi yêu cầu có độ tin cậy giúp kiểm soát lưu lượng nguồn và cho phép độ trễ giải mã biến đổi Mặc dù có một số nhược điểm, nhưng chúng có thể được bù đắp bởi sự đơn giản trong quá trình giải mã, khả năng thích ứng với lỗi có tính thống kê và tỷ lệ lỗi thấp.
Có ba dạng kỹ thuật ARQ, đó là:
- Truyền lại có ngừng và chờ ( ARQ Stop-and-wait);
- Truyền lại liên tục (Go-back-N ARQ);
- Truyền lại có chọn lọc (Selective-repeat ARQ) Hình 4.5 mô tả ba kỹ thuật nêu trên:
Hình 4.5: Phát hiện lỗi và truyền a) Truyền lại co ngừng và chờ; b) Truyền lại liên tục; c) Truyền lại có chọn lọc
Các ký hiệu: KL: không lỗi; CL = có lỗi
Hiệu năng của hệ thống áp dụng kỹ thuật ARQ được đánh giá qua các tham số hiệu suất cụ thể Tham số này được tính bằng tỷ lệ giữa số lượng trung bình bit thông tin được truyền có sử dụng ARQ và tổng số bit có thể truyền mà không sử dụng ARQ trong cùng khoảng thời gian.
ARQ có chọn lọc mang lại hiệu suất tối ưu nhất, trong khi ARQ ngừng và chờ có hiệu suất thấp hơn Tuy nhiên, ARQ có chọn lọc yêu cầu thiết bị phức tạp hơn, trong khi ARQ ngừng và chờ chỉ cần thiết bị tính toán đơn giản hơn.
Ví dụ, với tuyến liên lạc vệ tinh số (địa tĩnh) có dung lượng R = 48 kbps
Thời gian khứ hồi của tín hiệu T = 600 ms Xác suất lỗi bit P e = 10 -4 Khối dữ liệu truyền n = 1000 bit Kết quả tính toán cho:
(ARQ - SW) = 0,03; (ARQ - GB) = 0,23; và (ARQ - SR) = 0,84
4.5.2 Ứng dụng kỹ thuật ARQ trong các kênh truyền tin số
Kỹ thuật ARQ thường kết hợp với mã kiểm soát lỗi CRC (Cyclic Redundancy Check) để phát hiện lỗi, đồng thời thực hiện ARQ cho các tiêu đề của giao thức truyền đồng bộ và không đồng bộ.
Giao thức truyền dữ liệu đồng bộ SDLC và CCITT-X25 sử dụng một khung con dài 16 bit trong trường tiêu đề để kiểm soát lỗi Điều này cho phép thực hiện ARQ khi phát hiện lỗi trong dữ liệu truyền.
Hình 4.6 mô tả quá trình phát hiện lỗi thông qua mã CRC và ARQ trong tiêu đề của giao thức truyền dữ liệu đồng bộ SDLC và giao thức truyền không đồng bộ.
Khung con trong giao thức SDLC (truyền dữ liệu đồng bộ) và tiêu đề cấu trúc khung của ATM (Asynchronous Transfer Mode) được mô tả trong Hình 4.6, nhằm phục vụ cho việc kiểm soát lỗi trong quá trình truyền dữ liệu.
4.5.3 Mã kiểm soát lỗi CRC
Mã kiểm soát lỗi CRC (Cyclic Redundancy Check) chủ yếu được sử dụng để phát hiện lỗi và hỗ trợ giải pháp ARQ, nhưng không có khả năng sửa lỗi Nguyên lý hoạt động của mã CRC tập trung vào việc kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu bằng cách sử dụng các phép toán nhị phân để tạo ra một mã kiểm tra.
Trong quá trình phát thực hiện mã hóa, đoạn tin k bit sẽ được dịch chuyển (n - k) vòng và sau đó chia cho đa thức sinh g(x) đã được chọn trước Kết quả của phép chia này sẽ cho ra số dư r(x), và số dư này sẽ được cộng vào đoạn tin k bit để tạo thành đoạn tin n bit được truyền đi, trong đó n - k bit dư được gọi là các bit kiểm tra.
Khi thực hiện giải mã CRC ở phía thu, đoạn tin thu được (gồm n bit) sẽ được chia cho đa thức sinh g(x) Nếu số dư r(x) của phép chia bằng không, điều này cho thấy đoạn tín hiệu thu được không có lỗi Ngược lại, nếu số dư khác không (r(x) ≠ 0), điều này chỉ ra rằng đoạn tin thu được bị lỗi và cần thực hiện cơ chế ARQ.
Về đa thức sinh g(x) đã có một số lựa chọn trước đưa vào các chuẩn khuyến nghị phù hợp với các giao thức truyền tin số Ví dụ:
Chuẩn CRC-32 của IEEE: g(x) = x 32 + x 26 + x 23 + x 22 + x 16 + x 12 + x 11 + x 10 + x 8 + x 7 + x 5 + x 4 + x 2 + x + 1 Chuẩn ERC-16 của ANSI g(x) = x 16 + x 15 + x 2 + x + 1 Đa thức sinh sử dụng trong trường tiêu đề của ATM g(x) = x 8 + x 2 + x + 1
Việc mã hóa và giải mã đối với mã CRC được thực hiện bởi các mạch logic XOR và thanh ghi dịch chuyển khá đơn giản
4.5.4 Một ví dụ về mã hóa và giải mã đối với mã CRC
Tạo một từ mã CRC với dãy dữ liệu cho là 1001 và đa thức sinh cho là g(x)
Dãy dữ liệu cho M(x) = 1001 = 1 + x 3 Đa thức sinh cho: g(x) = 1101 = 1 + x + x 3 Dãy chuyển dịch bit: kM(x) = x 3 (1 + x 3 ) = x 6 + x 3 = 1101000 Thực hiện phép chia kM(x) cho g(x) bằng phép trừ dịch chuyển:
Kết quả phép chia dịch chuyển cho kết quả số dư r(x) = 011
Số dư đó được cộng vào dãy dữ liệu cho M(x) và kết quả từ mã CRC sẽ được truyền đi là: 1001011 = x 6 + x 3 + x + 1
Quá trình thực hiện phép chia có thể sử dụng mạch cứng thông thường, như mô tả trong Hình 4.7 Bộ tạo mã hoạt động bằng cách truyền các bit thông tin theo mã cyclic, với mạch phản hồi qua một chuyển mạch (đóng/mở) Các bước chuyển dịch diễn ra theo nhịp tín hiệu đồng hồ, và trạng thái của các thanh ghi dịch chuyển được xác định sau khi dãy dữ liệu đầu vào A = 1001 được đưa vào, tương ứng với các điểm A, B, C, D, E.
Hình 4.7 Bộ tạo mã cyclic (7, 4) với g(x) = 1 + x + x 3
Khi thông tin cuối cùng được truyền vào, chuyển mạch hồi được kích hoạt, và dữ liệu từ các vị trí thanh ghi dịch chuyển E, D, B được cộng với dữ liệu đầu vào qua chuyển mạch đầu ra Các bit dư 011 trong ví dụ mã CRC cũng chính là mã Hamming (7, 4).
Về phía thu, khi nhận được dãy dữ liệu, lại đem chia cho đa thức sinh g(x)
Nếu số dư bằng không, điều này có nghĩa là không có lỗi trong dữ liệu truyền; ngược lại, nếu số dư khác không, dữ liệu đã bị lỗi Mạch giải mã thực hiện quá trình ngược lại so với mạch tạo mã.
4.6 Một giải pháp kết hợp các kỹ thuật: bảo mật thông tin dữ liệu mã hóa kênh, xáo trộn bit và điều chế số trong kênh truyền tin số của hệ thống thông tin vệ tinh
4.6.1 Sơ đồ khối chức năng
Hình 4.8 minh họa một kênh truyền tin số trong hệ thống thông tin vệ tinh, kết hợp các kỹ thuật bảo mật dữ liệu, mã kênh, xáo trộn bit và điều chế số để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc truyền tải thông tin.
Bảo mật dữ liệu Mã hóa kênh Xáo trộn bit Điều chế số
Bộ tạo mã giả ngẫu nhiên Bit + bit
Ma trận xáo trộn hàng cột 8 x8
Mã khối hoặc cyclic Ma trận
Tốc độ bit R b Tốc độ bit Rc Tốc độ bit R