Cấu trúc hệ thống thông tin di động vệ tinh

CHƯƠNG DANH MỤC DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .2 DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG –TỔNG QUAN HỆ THỐNG DI ĐỘNG QUA VỆ TINH 1.1.Phân lớp dịch vụ phân bổ tần số 1.1.2 Dịch vụ vệ tinh di động (MSS) 1.1.2.1 Dịch vụ vệ tinh di động hàng hải (MMSS) 10 1.1.2.2 Dịch vụ vệ tinh di động mặt đất (LMSS) .10 1.1.2.3 Dịch vụ vệ tinh di động hàng không (AMSS) .10 1.1.3 Dịch vụ vệ tinh di động cá nhân (PMSS) 11 1.1.4 Dịch vụ vệ tinh hàng hải vô tuyến (RNSS) .11 1.1.5 Dịch vụ vệ tinh định vị vô tuyến (RDSS) 11 1.1.6 Dịch vụ vệ tinh di động quảng bá (BCMSS) 12 1.1.7 Dịch vụ vệ tinh di động băng rộng (BBMSS) 12 1.1.8 Dịch vụ vệ tinh di động khí tượng (MLMSS) 13 1.2.Vùng không gian .14 1.2.1.Lý thuyết quỹ đạo 14 1.2.1.1.Luật chuyển động vệ tinh .15 1.2.1.1.1.Những tham số quỹ đạo hình elíp 15 1.2.1.1.2 Các tham số quỹ đạo tròn 17 1.2.1.2 Tọa độ vệ tinh địa tĩnh đường nằm ngang 18 1.2.1.2.1 Khoảng cách vệ tinh vùng bao phủ 18 1.2.1.2.2 Góc nhìn vệ tinh (góc ngẩng góc phương vị) 20 1.2.1.2.3 Đường vệ tinh hình học (kinh độ vĩ cao) 21 1.2.2.Kiểu quỹ đạo cho hệ thống vệ tinh thông tin di động vệ tinh cho mục đích khác 22 1.2.2.1 Quỹ đạo thấp (LEO) .23 1.2.2.1.1 LEO nhỏ 24 1.2.2.2 Quỹ đạo tròn 25 1.2.2.2.1 Quỹ đạo trung (MEO) .25 1.2.2.2.2 Quỹ đạo địa tĩnh (GEO) 26 1.2.2.3 Quỹ đạo Elip cao (HEO) 27 1.2.2.3.1 Quỹ đạo Molnya 27 1.2.2.4 Quỹ đạo cực (PEO) 28 1.2.3.Hệ thống anten vệ tinh cho MSC .31 CHƯƠNG – CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VỆ TINH 32 2.1.Bộ phát đáp .32 2.1.1.Bộ phân kênh vào .33 2.1.2.Máy thu băng rộng 34 2.1.3.Bộ khuyếch đại công suất 35 2.1.4 Trạm phát đáp vệ tinh cho MSC .36 2.1.5.Phân hệ phát đáp 37 2.1.5.1.phân hệ anten 37 2.1.5.2.Phân hệ đo bám điều khiển từ xa .38 2.2.Phần mặt đất hệ thống thông tin vệ tinh 40 2.2.1.Cấu trúc chức trạm mặt đất 40 2.2.2.Các công nghệ quan trọng trạm mặt đất 41 2.2.2.1 Máy phát công suất cao 41 2.2.2.2.Công nghệ máy thu .41 2.3 Cấu trúc hệ thống thông tin di động vệ tinh .42 2.3.1.Cấu trúc mạng di động hệ thống GSO .42 2.3.1.1.Hệ thống cho Bắc Mỹ 42 2.3.1.2 Dịch vụ cho Châu Âu hệ thống Archimedes .44 2.3.2 Mạng di động vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh(NGSO) 44 2.3.2.1.Hệ thống vệ tinh di động LEO nhỏ .45 2.3.2.2 LEO lớn cho tiếng số liệu 49 2.4 Các công nghệ đa truy nhập sử dụng thông tin di động qua vệ tinh .55 2.4.1.Đa truy nhập phân chia theo tần số,FDMA .55 2.4.1.1 FDM/FM/FDMA 56 2.4.1.2 TDM/PSK/FDMA 56 2.4.1.3 SCPC/FDMA .56 2.4.1.4.Điều chế giao thoa 58 2.4.2 ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN, TDMA .59 2.4.2.1.Truyền dẫn cụm 60 2.4.2.2 TDMA CHUYỂN MẠCH VỆ TINH 62 CHƯƠNG - ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN 63 3.1 Giới thiệu 63 3.2 Đặc tính kênh di động mặt đất 64 3.2.1 Môi trường nội hạt 64 3.2.2 Kiểu kênh băng hẹp 66 3.2.2.1 Tổng quan .66 3.2.2.2 Mẫu hồi quy thực nghiệm 66 3.2.2.4 Mẫu giải tích hình học 73 3.2.3 Mẫu kênh băng rộng 74 3.3 Đường truyền hàng không 74 3.4 Đường truyền hàng hải 75 3.5.Đường truyền cố định .75 3.5.1 Ảnh hưởng tầng đối lưu 75 3.5.1.1 Hơi khí 75 3.5.1.1 Độ suy giảm mưa 78 3.5.1.2 Mây sương mù 83 3.5.2.1 Độ trễ nhóm quay Faraday .86 3.5.2.2 Biến đổi tầng điện ly 86 KẾT LUẬN 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO .87 CHƯƠNG CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 3GPP 3rd Generation Partnership Đề án đối tác hệ ba AES AH AKA AMF ARM ASYM AuC AUTN AV CCITT CLB COA DCM DES DH DLL DNS DSP EIR FH FPGA GPRS GSM HLR IMEI IMSI IMT2000 ITU IV KC Project Advance Encryption Standard Chuẩn mã hoá tiên tiến Authentication Header Mào đầu nhận thực Authentication & Key Thoả thuận khoá nhận thực Agreement Authentication and Management Field Advance RISC Machine Key Trường quản lý khoá nhận thực Máy theo kiến trúc RISC nâng cao Asymmetric Cipher Algorithm Thuật toán mã hoá bất đối xứng Authentication Center Trung tâm nhận thực Authentication Token Thẻ nhận thực Authentication Vector Véc tơ nhận thực Consultative Committee for Uỷ ban tư vấn điện báo International Telephony and điện thoại quốc tê Telegraphy Configurable Logic Block Khối logic cấu hình Care of Address Chăm sóc địa Digital Clock Manager Khối quản lý đồng hồ số Data Encryption Standard Chuẩn mật mã liệu Diffie-Hellman Thuật toán Diffie-Hellman Download Link Đường liệu xuống Domain Name System Hệ thống tên miền Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số Equipment Identifier Register Bộ ghi nhận dạng thiết bị Frequency Hopping Nhảy tần Field Programmable Gate Mảng cổng lập trình Array General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói chung Global Systems for Mobile Hệ thống thơng tin di động Communications tồn cầu Home Location Register Bộ ghi định vị thường trú International Mobile Số nhận dạng thiết bị di động Equipment Identifier quốc tế International Mobile Subscrible Số nhận dạng thuê bao di động Identifier quốc tế International Mobile Thông tin di động quốc tế Telecommunications-2000 2000 International Liên minh Viễn thông Quốc tế Telecommunications Union Initation Vector Vec tơ khởi tạo Session Key Khoá phiên KDC LAI LUT MAC MIPS OTAR PDA PIN PK PLD RAND RES RSA VLR WCDMA Key Distribution Center Location Area Identifier Look-up Table Message Authentication Code Milion Instruction per second Over the Air Personal Digital Assistant Personal Identifier Public Key Programmable Logic Device Random number Response Rivest/Shamir/Adleman Algorithm Subscriber Identity Module Secret Key System-on-chip Symmetric Cipher Algorithm Temporatory Mobile Subscrible Identifier Universal Mobile Telecommunications System UMTS Subscriber Identity Module UMTS Terrestrial Radio Access Network Visitor Location Register Wideband Code Division Multiple Access Trung tâm phân phối khoá Số nhận dạng vùng định vị Bảng tra trạng thái Mã nhận thực tin Triệu lệnh giây Truyền vô tuyến Thiết bị trợ giúp số nhân Số nhận dạng cá nhân Khố cơng khai Thiết bị logic lập trình Số ngẫn nhiên Đáp ứng Thuậttốn Rivest/Shamir/Adleman Khối nhận dạng thue bao Khố bí mật Hệ thống chip Thuật toán mã hoá đối xứng Số nhận dạng thuê bao di động tạm thời Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Khối nhận dạng th bao UMTS Mạng truy nhập vô tuyến mặt đất UMTS Bộ ghi định vị tạm trú Đa thâm nhập phân chia theo mã băng rộng XRES MPLS Expected Response Multi Protocol Label Switching Đáp ứng mong đợi Chuyển mạch đa giao thức SIM SK SOC SYM TMSI UMTS USIM UTRAN CHƯƠNG DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1: Dịch vụ vệ tinh cố định .8 Hình 1-2: Dịch vụ vệ tinh di động Hình 1-3: Dịch vụ vệ tinh di động quảng bá cố định 12 Hình 1-4: Hệ thống vệ tinh khí tượng GOES WDCP .13 Hình 1-5: Quỹ đạo vệ tình hình elíp hình trịn .16 Hình 1-6: Hình chiếu hình học quỹ đạo vệ tinh 17 Hình 1-7: Cấu hình vệ tinh GEO tham số góc nhìn 19 Hình 1-8: Góc phương vị góc ngẩng 20 Hình 1-9: Tham số góc nhìn đồ tọa độ hình học cho GEO 21 Hình 1-10: Đường quỹ đạo vệ tinh 22 Hình 1-11: Chuyển giao phân tập LEO MSS .24 Hình 1-12: Kiểu đường quỹ đạo vệ tinh 29 Hình 1-13: Hệ thống anten vệ tinh 31 Hình 2-1: Quy hoạch tần số phân cực.Tần số hình vẽ đo MHz 32 Hình 2-2: Các kênh phát đáp vệ tinh .33 Hình 2-3: Bộ phân kênh vào .34 Hình 2-4: Máy thu băng rộng tinh 35 Hình 2-5: Sơ đồ khối biểu đồ mức tương đối điển hình phát đáp 35 Hình 3-1: Mơi trường lan truyền mạng di động 64 Hình 3-2: Fading 1.5 GHz phụ thuộc bóng bên đường chống lại đường góc đứng .68 Hình 3-3: Markov hai trạng thái xử lý thị điều khiển che khuất không che khuất 72 Hình 3-4: Độ suy giảm riêng nước 76 Hình 3-5: Tổng suy hao khơng khí khơ nước cực điểm từ mực nước biển .78 Hình 3-6: Mối quan hệ chiều dài đường nghiêng độ cao mưa 79 Hình 3-7: Mật độ mưa (mm/h)vượt 0.01 % trung bình năm 80 Hình 3-8: Độ suy giảm dự báo (mẫu Watson-Hu) đo trạm Lario (Italy) .82 Hình 3-9: Minh hoạ dạng sóng elip tổng quát 84 Hình 3-10: Quay Faraday hàm TEC tần số 85 CHƯƠNG LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG Với phát triển không ngừng truyền thông thông tin,và nhu cầu ngày tăng người việc sử dụng thông tin,Thông tin vệ tinh đã trở thành phương tiên thông tin phổ biến đa dạng,đem lại nhiều lợi nhuận cho nhà khai thác Nó thể từ chảo anten truyền hình gia đình hệ thơng thống tin toàn cầu truyền khối lượng số liệu lưu lượng thoại lớn với chương trình truyền hình Vì vệ tinh phủ sóng cho vùng rộng lớn trến trái đất, nên phát đáp vệ tính cho phép nối mạng nhiều trạm mặt đất từ vùng địa lý cách xa trái đất Các vệ tinh đảm bảo đường truyền thông tin cho cho vùng dân cư xa xôi hẻo lánh mà phương tiện thơng tin khác khó đạt đến Từ nghiên cứu số liệu quan trắc 20 năm nhà thiên văn Tycho Brahe, Johannes Kepler chứng minh hành tinh quay quanh mặt trời quỹ đạo elip khơng phải trịn Ơng tổng kết nghiên cứu ba định luật chuyển động hành tinh Hai định luật đầu công bố tạp chí New Astromy vào năm 1609 định luật thứ ba công bố sách Harmony of The World vào năm 1619 Ba định luật trình bầy sau •Định luật Quỹ đạo cuả hành tinh có dạng elip với mặt trời nằm tiêu điểm •Định luật Bán kính vectơ nối hành tinh mặt trời quét diện tích khoảng thời gian •Định luật Bình phương chu kỳ quay quanh quỹ đạo hành tinh tỷ lệ với lập phương bán trục elip Ba định luật sở để mô tả quỹ đạo vệ tinh quay quanh trái đất vệ tinh đóng vai trị hành tinh cịn trái đất đóng vai trị mặt trời Đến nhiều hệ thống thông tin vệ tinh thiết lập với quỹ đạo vệ tinh khác nhau, có vệ tinh Molnya Liên xơ cũ sử dụng quỹ đạo elip, cịn vệ tinh lại sử dụng quỹ đạo trịn Hiện khơng có hệ thống thơng tin vệ tinh cho đối tượng cố định mà hệ thống thông tin vệ tinh di động thiết lập đưa vào khai thác Ngày có xu tích hợp thơng tin vệ tinh với thơng tin mặt đất Cho tới có 280 vệ tinh thương mại hoạt động cung cấp loạt dịch vụ viễn thông thị trường thông tin vệ tinh quốc tế (khu vực châu Á có khoảng 20 nhà khai thác vệ tinh với 80 vệ tinh hoạt động cung cấp loại dịch vụ thông tin khác nhau) Trong phạm vi đồ án này,em tập trung việc tìm hiểu tổng quan thơng tin di động qua vệ tinh.Nội dung đồ án chia làm ba chương  Chương I:Tổng quanvề hệ thống thông tin di động qua vệ tinh:Các dịch vụ việc phân bổ tần số,các dạng quỹ đạo thông tin di động qua vệ tinh  Chương II: Cấu trúc mạng thơng tin di động qua vệ tinh:Cấu hình phát đáp,kỹ thuật trạm mặt đất, Các cấu hình mạng đối hệ thống thông tin di động qua vệ tinh như:GEO,NGSO ,các công nghệ đa truy nhập sử dụng  Chương III:Mơ tả đặc tính kênh truyền Do hạn chế thời gian khả nghiên cứu, đồ án khơng tránh khỏi thiếu sót, em mong nhận góp ý thầy cơ, bạn sinh viên để nội dung đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Viễn thông, đặc biệt thầy giáo Nguyễn Viết Minh giúp em hoàn thành đồ án CHƯƠNG –TỔNG QUAN HỆ THỐNG DI ĐỘNG QUA VỆ TINH 1.1.Phân lớp dịch vụ phân bổ tần số Việc phân loại dịch vụ MSC xây dựng qua việc xem xét khu vực địa lý mạng quảng bá vùng miền tồn giới Nó thực qua đơn vị cố đinh di động Các dịch vụ vệ tinh cung cấp bao gồm: FSS, MSS, MMSS, LMSS, AMSS, PMSS, RNSS, RDSS… 1.1.1.Dịch vụ vệ tinh cố đinh(FSS) FSS cho phép liên kết truyền thông vô tuyến hay nhiều Fixed Earth Stations vị trí cho trước sử dụng hay nhiều vệ tinh Vị trí điểm xác định hay điểm cố định nằm vùng xác định Đôi dịch vụ xác định gồm liên kết vệ tinh – vệ tinh hoạt động dịch vụ liên vệ tinh FSS liên kết feeder cho dịch vụ truyền thông không gian khác, bao gồm MSS hay MSS LES cung cấp dịch vụ cho FES Tín hiệu FSS chuyển tiếp nhiều FES, nhờ hệ thống phức tạp, lớn đắt tiền Điển hình Intelsat, tiên phong truyền thông vệ tinh Thế hệ Intelsat hoạt động băng C (4/6GHz) Hiện nay, nhiều hệ thống địa phương Optus Australia JCSAT Nhật hoạt động băng Ku (30/14GHz), Olympus CS bao phủ phần lớn nước Châu Âu Nhật Dịch vụ gồm mạng thoại vệ tinh VSAT Hình 1-1: Dịch vụ vệ tinh cố định Trong mạng thoại FSS sử dụng cấu hình vệ tinh GEO băng thông kênh từ đến 64Kb/s truyền thông vệ tinh theo FDMA TDMA Hệ thống cho phép điện thoại quốc tế trung chuyển tồn cầu Mạng VSAT sử dụng cấu hình GEO, băng thông kênh từ 64 đến 512Kb/s sử dụng truyền thông FDMA hay TDMA Các ứng dụng hệ thống VSAT dịch vụ phân phối tài liệu, liệu, truyền thông nông nghiệp, tận dụng kinh doanh truyền thông cho vùng thiên tai 1.1.2 Dịch vụ vệ tinh di động (MSS) MSS gồm kiểu dịch vụ GMSC: hàng hải, mặt đất, hàng khơng gồm phân đoạn không gian Các trạm mặt đất di động (LES MES) với ứng dụng (SES, VES, AES, TES, PES), trạm, trung tâm phối hợp điều khiển (NCC, SCC, NCS, RCC, LUT), giao diện TTN với thuê bao hình 1.2 MSS cho phép liên kết vệ tinh MES với trạm không gian hay trạm không gian sử dụng cho dịch vụ hay MES tới trạm khơng gian Hình 1-2: Dịch vụ vệ tinh di động LES mạng MSS trạm gần bờ (CES) cho ứng dụng mặt đất hay hàng hải trạm mặt đất (GES) dành cho ứng dụng hàng không Việc phân lớp kế hoạch tạm thời quan trọng để đưa ý tưởng hợp lý để sau có thuật ngữ phổ biến thực tế cho GMSC BES hay Gateway trạm mặt đất dịch vụ vệ tinh cố định hay di động đặt điểm cố định xác định hay vùng xác định để cung cấp liên kết feeder cho MSS, đặc biệt hệ thống Non-GEO để dẫn cho nơi nguy hiểm trạm mặt đất đặc biệt MSS, phát tín hiệu dành riêng để SAR hoạt động cho vùng nguy hiểm biển, mặt đất hay hàng không 1.1.2.1 Dịch vụ vệ tinh di động hàng hải (MMSS) MMSS dịch vụ mà MES đặt tàu thương mại qn sự, cơng trình biển, tàu thả nổi…Các thiết bị hàng hải xác định (Emergency Position Indicating Beacon), trạm cố định hay di động tham gia dịch vụ EPIRB trạm mặt đất xác định MMSS, phát tín hiệu dành riêng cho SAR hoạt động khẩn cấp cho tàu lớn gặp nguy hiểm ứng dụng hàng hải Dịch vụ MMSS cho phép liên kết vệ tinh di động CES Ship Earth Station, SES, tàu liên kết hay trạm truyền thông vệ tinh nơi biển SES trạm mặt đất di động MMSS bề mặt di chuyển biển giới hạn địa lý quốc gia hay lục địa Xác định truyền thông hàng hải, tàu tương thích với SES gần cảng hoạt động với CES hay SES khác trường hợp cố hay mục đích thương mại