Mây và sương mù...833.5.2.1 Độ trễ nhóm và quay Faraday...863.5.2.2 Biến đổi trong tầng điện ly...86KẾT LUẬN...87TÀI LIỆU THAM KHẢO...87 Trang 3 ProjectAESAdvance Encryption Standard Ch
TỔNG QUAN HỆ THỐNG DI ĐỘNG QUA VỆ TINH
Phân lớp dịch vụ và phân bổ tần số
Việc phân loại dịch vụ MSC dựa trên các khu vực địa lý và mạng quảng bá toàn cầu, bao gồm cả đơn vị cố định và di động Các dịch vụ vệ tinh cung cấp bao
1.1.1.Dịch vụ vệ tinh cố đinh(FSS)
Tín hiệu FSS được chuyển tiếp giữa nhiều FES thông qua các hệ thống phức tạp và tốn kém, với Intelsat là một trong những tiên phong trong lĩnh vực truyền thông vệ tinh Thế hệ đầu tiên của Intelsat hoạt động ở băng C (4/6GHz), trong khi nhiều hệ thống địa phương như Optus ở Australia và JCSAT ở Nhật Bản hiện nay hoạt động ở băng Ku (30/14GHz) Các dịch vụ này bao gồm mạng thoại vệ tinh và VSAT, với Olympus và CS cung cấp phủ sóng cho hầu hết các quốc gia ở Châu Âu và Nhật Bản.
Hình 1-1: Dịch vụ vệ tinh cố định
Mạng VSAT hoạt động với cấu hình GEO và băng thông kênh từ 64 đến 512Kb/s, sử dụng công nghệ truyền thông FDMA hoặc TDMA Hệ thống VSAT chủ yếu phục vụ cho các ứng dụng như phân phối tài liệu, truyền dữ liệu, hỗ trợ truyền thông nông nghiệp, thúc đẩy kinh doanh và cung cấp thông tin trong các khu vực bị thiên tai.
1.1.2 Dịch vụ vệ tinh di động (MSS)
MSS bao gồm ba loại dịch vụ GMSC: hàng hải, mặt đất và hàng không, có thể tích hợp cả các phân đoạn không gian Hệ thống này sử dụng các trạm mặt đất và di động (LES và MES) cùng với nhiều ứng dụng như SES, VES, AES, TES và PES Ngoài ra, MSS còn bao gồm các trạm, trung tâm phối hợp và điều khiển (NCC, SCC, NCS, RCC, LUT) cùng các giao diện TTN với các thuê bao MSS cho phép kết nối vệ tinh giữa các MES với các trạm không gian, cũng như giữa các trạm không gian phục vụ cho dịch vụ này.
Hình 1-2: Dịch vụ vệ tinh di động
LES trong mạng MSS bao gồm trạm gần bờ (CES) phục vụ cả ứng dụng mặt đất và hàng hải, cùng với các trạm mặt đất (GES) dành riêng cho ứng dụng hàng không Việc phân lớp này có thể là một kế hoạch tạm thời nhưng đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển những ý tưởng hợp lý, nhằm tạo ra các thuật ngữ phổ biến cho GMSC trong tương lai.
BES hay Gateway là trạm mặt đất trong các dịch vụ vệ tinh cố định và di động, được đặt tại các vị trí cố định để cung cấp liên kết feeder cho MSS Đặc biệt, các hệ thống Non-GEO sử dụng trạm này để chỉ dẫn cho những khu vực nguy hiểm, phục vụ cho các hoạt động tìm kiếm và cứu nạn (SAR) trên biển, mặt đất và trong không gian.
1.1.2.1 Dịch vụ vệ tinh di động hàng hải (MMSS)
MMSS là dịch vụ được triển khai trên các tàu thương mại, quân sự, công trình trên biển và tàu thả nổi Các thiết bị hàng hải như Emergency Position Indicating Beacon (EPIRB) và các trạm cố định hoặc di động có thể tham gia vào dịch vụ này EPIRB đóng vai trò là trạm mặt đất trong MMSS, phát tín hiệu khẩn cấp cho các hoạt động tìm kiếm và cứu nạn (SAR) nhằm hỗ trợ những tàu lớn gặp nguy hiểm trong môi trường hàng hải.
Dịch vụ MMSS cho phép kết nối vệ tinh di động giữa CES và Ship Earth Station, cùng với các SES và tàu liên kết, cũng như các trạm truyền thông vệ tinh trên biển SES là trạm mặt đất di động trong MMSS, hoạt động trên các bề mặt di chuyển trên biển trong giới hạn địa lý quốc gia hoặc lục địa Trong lĩnh vực truyền thông hàng hải, một tàu tương thích với SES gần cảng có khả năng kết nối với CES hoặc SES khác để xử lý sự cố hoặc phục vụ mục đích thương mại.
1.1.2.2 Dịch vụ vệ tinh di động mặt đất (LMSS)
MES được lắp đặt trên các phương tiện như xe hơi, xe tải, bus, tàu và các loại xe dân sự, quân sự, cung cấp dịch vụ truyền thông cho logistics và thương mại, được gọi là trạm mặt đất di động (TES) Ngoài ra, các Đèn hiệu định vị mặt đất cũng có thể hoạt động như một trạm mặt đất đặc biệt trong hệ thống LMSS Giải pháp này rất phù hợp cho các ứng dụng quân sự, thám hiểm ở địa cực, sa mạc và những vùng nông thôn xa xôi.
LMSS cho phép thiết lập kết nối vệ tinh di động giữa CES và các trạm Vehicle Earth Station (VES), cũng như giữa các VES và các trạm MSC VES là trạm mặt đất di động được sử dụng trên các phương tiện di chuyển như xe đường bộ và tàu hỏa, hoạt động trong phạm vi địa lý của một quốc gia hoặc lục địa Trong khi đó, CES là trạm hàng hải cố định, nằm trên bờ biển, cung cấp kết nối feeder cho MMSS VES gắn trên các phương tiện di chuyển, cung cấp dịch vụ truyền thông cho thuê bao trên đất liền thông qua CES và các vệ tinh.
1.1.2.3 Dịch vụ vệ tinh di động hàng không (AMSS) Ở dịch vụ này, các MES được đặt trên các loại máy bay, trực thăng hay các thiết bị hàng không dân, quân sự khác Dịch vụ này gồm các loại thông tin vệ tinh như liên kết lập kế hoạch bay, các tuyến hàng không dân sự ngoại quốc và toàn thế giới Thiết bị đầu cuối xác định ELT, cố định hay di động trên các trạm hàng không trong dịch vụ này như trạm mặt đất đặc biệt trong AMSS, cho phép SAR hoạt động trên biển, sa mạc, đất liền hay các ứng dụng hàng không khác.
AMSS cho phép thiết lập liên kết vệ tinh di động giữa GES và Trạm Địa Cầu Máy Bay (AES), cũng như giữa các AES, máy bay liên kết và các trạm thông tin vệ tinh khác AES là trạm mặt đất di động có khả năng bay và di chuyển trong không khí, hoạt động trong giới hạn địa lý của các quốc gia hoặc lục địa GES là trạm hàng không được đặt tại các vị trí cố định trên mặt đất, cung cấp liên kết feeder cho AMSS AES là trạm hàng không cố định trên máy bay, có khả năng cung cấp liên kết truyền thông tới các thuê bao mặt đất thông qua GES và tàu không gian.
1.1.3 Dịch vụ vệ tinh di động cá nhân (PMSS)
Dịch vụ này cho phép các MES hoạt động từ bất kỳ đâu và bởi bất kỳ ai thông qua thiết bị cầm tay Hệ thống hỗ trợ cả GMSC và GMPSC, trong khi thiết bị cảnh báo di động mặt đất PLB có thể tham gia và kết nối với một số hệ thống Cospas-Sarsat.
Vùng không gian
Phần này mô tả cơ chế và ý nghĩa của quỹ đạo vệ tinh trong truyền thông di động, giới thiệu các quy luật cơ bản điều khiển quỹ đạo và các tham số thiết yếu mô tả chuyển động của vệ tinh nhân tạo quanh Trái Đất Các kiểu quỹ đạo vệ tinh được phân loại và so sánh từ góc độ hệ thống MSC, tập trung vào phạm vi và cách thực hiện liên kết Giải pháp Non-GEO MSC đã trở nên quan trọng gần đây nhờ vào đặc trưng quỹ đạo và khả năng bao phủ rộng, bao gồm cả các vùng cực.
Lý thuyết quỹ đạo là quy tắc mô tả chuyển động của hành tinh và vệ tinh trong hệ mặt trời, giúp tính toán vị trí, tốc độ, hướng và các tham số quỹ đạo khác Lý thuyết này hỗ trợ thiết kế và vận hành quỹ đạo cho các dự án truyền thông vệ tinh Quá trình thiết kế quỹ đạo dựa trên khảo sát các quỹ đạo khác nhau, nhằm xác định những quỹ đạo tối ưu cho dịch vụ MSC Vận hành quỹ đạo yêu cầu hiểu biết về chuyển động của vệ tinh và bắt đầu bảo trì TT&C sau khi vệ tinh đã được định vị Chỉ một số ít kiểu quỹ đạo vệ tinh phù hợp cho MSC và các hệ thống dẫn đường.
1.2.1.1.Luật chuyển động của vệ tinh
Những luật của Kepler mô tả chuyển động hành tinh dựa trên giả định rằng khối lượng trung tâm tập trung tại điểm giữa và không bị ảnh hưởng bởi các hệ thống khác Tuy nhiên, do trái đất không có hình dạng cầu lý tưởng và các lớp bên trong không phân bố đồng đều, nên chuyển động của vệ tinh không hoàn toàn đồng bộ và ổn định, có thể thay đổi tốc độ ở những khu vực quỹ đạo đặc biệt Những luật này dựa trên các ghi chép quan sát mà không giải thích lý do tại sao chuyển động diễn ra như vậy Năm 1687, Isaac Newton đã xuất bản cuốn "Định luật toán học", đánh dấu một bước đột phá với ba luật chuyển động.
1 Luật I - Mỗi một vật thể tiếp tục trong trạng thái đứng yên hoặc chuyển động đều trong một đường thẳng, trừ phi nó bị khống chế làm thay đổi trạng thái bởi những lực gây ra trên nó.
2 Luật II - Sự thay đổi động lượng trên đơn vị thời gian của một vật thể để làm cân đối đối với lực gây ra trên nó và cùng phương hướng với lực đó.
Luật III - Tất cả hoạt động luôn luôn có một ảnh hưởng phụ đối và bằng nhau
1.2.1.1.1.Những tham số của quỹ đạo hình elíp
Vệ tinh trong quỹ đạo tròn duy trì độ cao và vận tốc cố định, trong khi vệ tinh trong quỹ đạo elíp có thể thay đổi độ cao và vận tốc trong suốt một vòng Các đặc trưng của quỹ đạo hình elíp được xác định bởi các phần tử của hình elíp, bao gồm điểm cận địa (∏) và điểm xa nhất (A), cùng với vị trí của vệ tinh so với Trái Đất Các tham số của quỹ đạo elíp được mô tả qua các công thức toán học, trong đó e = c/a = √[1 – (b/a)²], p = a (1 – e²), c = √(a² – b²), a = p/(1 – e²), và b = a√(1 – e²).
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các yếu tố quan trọng trong quỹ đạo elíp của vệ tinh, bao gồm độ lệch tâm (e), trục nửa lớn (a), trục nửa bé (b), và trục giữa tâm của trái đất với tâm elíp (c) Phương trình quỹ đạo elíp được xác định từ hệ tọa độ cực là r = p/(1 + e cos Θ), trong đó r đại diện cho khoảng cách từ vệ tinh đến tâm trái đất (r = R + h), và Θ là góc tính dị thường Vị trí của vệ tinh được xác định bởi góc này, có thể đo từ 0 đến 360 độ, giữa hướng của điểm cận địa và hướng của vệ tinh Mối quan hệ giữa các tính dị thường này được thể hiện qua một phương trình cụ thể.
Quỹ đạo của vệ tinh có thể là hình elíp hoặc hình tròn, với công thức cosӨ = cosE – e/(1 – ecosE) và cosE = cosӨ + e/(1 + e cosӨ) Vận tốc của vệ tinh trong quỹ đạo elíp được tính bằng công thức v = √[GM(2/r) – (1/a)] Áp dụng luật Kepler thứ ba, thời gian một vòng của vệ tinh trong quỹ đạo elíp được xác định bởi công thức t = 2Π√(a³/GM) = 2Π√(a³/μ), trong đó t = 3.147099647 √(26628.16.10³)3.10⁻⁷ = 43243.64 giây.
Phương trình thứ hai đã xác định chu trình của ngày vũ trụ cho quỹ đạo elíp của vệ tinh Molnya, với điểm xa nhất là 40.000 km và điểm cận địa là 500 km Thời gian để vệ tinh hoàn thành một vòng quay là 719 phút Tính toán cho bán kính quỹ đạo a = 0.5 (40.000 + 500 + 2 x 6.378,16) cho kết quả là 26.628,15 km.
1.2.1.1.2 Các tham số của quỹ đạo tròn
Quỹ đạo tròn là một trường hợp đặc biệt của quỹ đạo elíp, với các tham số a = b = r và e = 0 Theo luật Kepler thứ ba, thời gian mặt trời (τ) liên quan đến độ xích kinh của một góc nút tiến (Ω) và thời gian vũ trụ (t) có mối quan hệ với μ = GM và độ cao vệ tinh (H) Đối với một vệ tinh trong quỹ đạo tròn, mối quan hệ giữa các yếu tố này được biểu diễn qua công thức τ = t/(1–Ω) Thời gian vũ trụ t có thể tính bằng t = 2Π√(r³/μ), trong đó h = [3√(μt²/4Π²)] – R Một ngày vũ trụ yêu cầu thời gian cho Trái Đất quay một vòng là 23 giờ 56 phút 4.09 giây, do đó vệ tinh địa tĩnh cần quay quanh quỹ đạo trong thời gian này để đồng bộ hóa với h = 35,786.04 x 10³ (m) Tốc độ của vệ tinh trong quỹ đạo tròn có thể được tính bằng v = √(MG/(R + h)) = √(μ/r) = 631.65√r [m/s].
Từ phương trình (2.8.) và sử dụng khoảng thời gian ngày của vũ trụ (tE), ta có mối quan hệ cho đồng bộ bán kính hoặc cho quỹ đạođịa tĩnh: r=3√[(μt) / 2Π )2 ] (1.11.)
Trong khoảng không gian từ PEO đến mặt phẳng GEO, nếu vệ tinh quay cùng hướng với trái đất, chu kỳ quỹ đạo (tE) của trái đất sẽ ảnh hưởng đến thời gian quỹ đạo (ta) Thời gian quỹ đạo được tính theo công thức: ta = tE * (ãt/tE - t).
Hình 1-6: Hình chiếu hình học của quỹ đạo vệ tinh
1.2.1.2 Tọa độ vệ tinh địa tĩnh và đường nằm ngang
Các tọa độ địa lý và đường nằm ngang đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các tham số vệ tinh và phát triển các phương trình tối ưu để giải quyết các vấn đề liên quan đến quỹ đạo, khoảng cách vệ tinh, tính rõ ràng và vùng phủ sóng Vùng phủ sóng của vệ tinh được thể hiện rõ trong Hình 1.7 Các tham số hình học cần chú ý bao gồm độ cao thực tế (h), bán kính trái đất (R), góc ngẩng (Є), góc phương vị (A), khoảng cách giữa vệ tinh và bề mặt trái đất (d), góc ở tâm (ψ), và góc bức xạ anten (δ).
Tọa độ địa lý và đường nằm ngang của vệ tinh được mô tả trong hình 1.7 (B), bao gồm các tham số quan trọng như tốc độ góc quay của trái đất (v), tham số của điểm cận địa (ẳ), và chuyển động của vệ tinh qua các điểm trên quỹ đạo (t0), cụ thể là cầu (B’ắP), vệ tinh (S), và điểm quan sát (M) Các yếu tố khác như phạm vi quan sát của người dùng và vệ tinh (¿M và ¿S), kinh độ của người quan sát và vệ tinh (λM và λS), cùng với các góc nghiêng (i) của người quan sát và vệ tinh (i)M, (i)S, cũng như góc nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với đường xích đạo (Ω) và thời gian vũ trụ (t) được xác định.
1.2.1.2.1 Khoảng cách vệ tinh và vùng bao phủ
Vùng phủ sóng và góc nhìn của mỗi loại vệ tinh phụ thuộc vào các tham số quỹ đạo, vị trí của vệ tinh so với LES và tọa độ địa lý Cụ thể, góc của vệ tinh GEO liên quan chặt chẽ đến các yếu tố như góc bức xạ anten, góc ngẩng, góc phương và góc vệ tinh.
Bán kính cung tròn có thể được xác định như sau:
Rs = R sin ψ) góc ở tâm hay góc vệ tinh (1.14.)
Khi độ cao của quỹ đạo h là khoảng cách giữa vệ tinh và điểm vệ tinh con (SP), mối quan hệ cho độ cao của cung tròn được xác định như sau:
Hs=R(1–cosψ) góc ở tâm hay góc vệ tinh) (1.15)
CẤU TRÚC HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG VỆ TINH
Bộ phát đáp
Bộ phát đáp là tập hợp các khối kết nối, tạo thành một kênh thông tin duy nhất giữa anten thu và anten phát trên vệ tinh thông tin Một số khối trong bộ phát đáp có khả năng được sử dụng chung cho nhiều bộ phát đáp khác nhau.
Trước khi xem xét tổ chức tần số cho thông tin vệ tinh băng C, cần lưu ý rằng băng thông ấn định cho dịch vụ này là 500 MHz Băng thông này được chia thành các băng con, mỗi băng con phục vụ cho một bộ phát đáp Độ rộng băng tần thông thường của từng bộ phát đáp là 36 MHz, kèm theo đoạn băng bảo vệ giữa các bộ phát đáp là 4 MHz.
Băng tần 500 MHz có khả năng hỗ trợ 12 bộ phát đáp, yêu cầu các anten thu phải có phân cực tương thích với phân cực phát của kênh Đối với phân cực tuyến tính, có thể phân tách bằng phân cực đứng và ngang, trong khi phân cực tròn được cách ly bằng phân cực tròn tay phải và tay trái Kỹ thuật này, cho phép sóng mang với phân cực đối nhau chồng lên nhau, được gọi là tái sử dụng tần số.
Hình 2.1 cho thấy quy hoạch tần số và phân cực cho vệ tinh thông tin băng C
Hình 2-14: Quy hoạch tần số và phân cực.Tần số trên hình vẽ đo bằng MHz
Có thể tái sử dụng tần số bằng cách sử dụng anten búp hẹp, kết hợp với tái sử dụng theo phân cực, nhằm cung cấp độ rộng băng tần hiệu dụng lên đến 2000 MHz với độ rộng thực tế là 500 MHz Hình 2.2 minh họa sơ đồ phân kênh cho 12 bộ phát đáp trong một nhóm phân cực, với dải tần thu từ 5,925 đến 6,425 GHz Các sóng mang có thể được thu trên một hoặc nhiều anten đồng phân cực Trong dải thông 500 MHz này, nhiều sóng mang được điều chế và tất cả đều được khuyếch đại, sau đó biến đổi tần số trong máy thu chung, chuyển đổi các sóng mang vào băng tần số đường xuống từ 3,7 đến 4,2 MHz.
Tần số 500 MHz cho phép phân kênh các tín hiệu vào các băng tần riêng biệt cho từng bộ phát đáp Các bộ phát đáp này có khả năng xử lý một sóng mang được điều chế, như tín hiệu TV, hoặc có thể đồng thời xử lý nhiều sóng mang, với mỗi sóng mang được điều chế bởi tín hiệu điện thoại hoặc kênh băng gốc.
Hình 2-15: Các kênh của bộ phát đáp vệ tinh
Bộ phân kênh vào phân chia đầu vào băng rộng (3,7-4,2 GHz) thành các kênh tần số cho bộ phát đáp, được đánh số từ 1 đến 12 và tổ chức thành các nhóm số chẵn và số lẻ Đầu ra của máy thu được kết nối với bộ chia công suất, chia tín hiệu cho hai dãy circulator riêng biệt Tín hiệu băng rộng được truyền theo từng dãy, và quá trình phân kênh được thực hiện thông qua các bộ lọc kênh nối đến circulator.
Hình 2-16: Bộ phân kênh vào
Sơ đồ khối của máy thu băng rộng cho thấy thiết kế với hệ thống dự phòng kép, giúp đảm bảo hoạt động liên tục khi có sự cố Máy thu thường chỉ sử dụng một bộ phận, trong khi bộ phận thứ hai sẽ tự động thay thế khi cần thiết Tầng đầu của máy thu được trang bị bộ khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA), có nhiệm vụ khuếch đại sóng mang mà chỉ tạo ra một lượng tạp âm tối thiểu, đảm bảo sóng mang đủ mạnh để vượt qua mức tạp âm cao hơn trong tầng trộn tiếp theo.
Trong một máy thu được thiết kế tốt, nhiệt độ tạp âm tại đầu vào LNA thường tương đương với tạp âm riêng của LNA Tổng nhiệt độ tạp âm cần phải tính đến cả tạp âm phát sinh từ anten.
Nhiệt độ tạp âm tương đương của anten có thể đạt vài trăm K, trong khi LNA tiếp tín hiệu cho tầng trộn, nơi cần tín hiệu dao động nội để thực hiện biến đổi tần số Công suất tín hiệu từ bộ dao động nội cho đầu vào bộ trộn khoảng 10dBm, yêu cầu tần số của bộ dao động nội phải rất ổn định và ít tạp âm Bộ khuếch đại thứ hai sau tầng trộn đảm bảo hệ số khuếch đại khoảng 60 dB, với các mức tín hiệu so với đầu vào được thể hiện trong dB.
Hình 2-17: Máy thu băng rộng về tinh
2.1.3.Bộ khuyếch đại công suất
Bộ khuếch đại công suất riêng lẻ đảm bảo cung cấp đầu ra cho từng bộ phát đáp, trong khi hình 2.5 minh họa rằng trước mỗi bộ khuếch đại công suất có bộ suy giảm đầu vào.
Hình 2-18: Sơ đồ khối và biểu đồ các mức tương đối điển hình trong một bộ phát đáp
Bộ điều chỉnh đầu vào của bộ khuếch đại công suất rất quan trọng để đảm bảo các kênh phát đáp có cùng suy hao danh định, với việc điều chỉnh được thực hiện trong quá trình lắp ráp Suy hao thay đổi được thiết lập cho từng kiểu ứng dụng, trong khi bộ khuếch đại đèn sóng chạy (TWTA) thường được sử dụng trong các bộ phát đáp nhằm đảm bảo công suất ra cần thiết cho anten phát Một trong những ưu điểm nổi bật của TWTA so với các bộ khuếch đại đèn điện tử khác là khả năng khuếch đại trên một độ rộng băng tần rộng, tuy nhiên, cần phải điều chỉnh cẩn thận mức vào TWT để giảm thiểu méo.
2.1.4 Trạm phát đáp vệ tinh cho MSC
Hệ thống trạm phát đáp cho MSC không thể sử dụng bộ phát đáp vệ tinh di động do một số lý do, vì thực tế bộ phát đáp không thể di động mà chỉ phục vụ dịch vụ MSS hoặc FSS Tuy nhiên, bộ phận điện tử tạo ra trạm lặp (nhận và truyền) trên bảng vệ tinh Phụ tải Inmarsat-2 bao gồm hai bộ phát đáp: băng C/L và băng L/C, như được thể hiện trong hình 2.6 (A) và 2.6 (B).
Bộ phát đáp Inmarsat-2 băng C/L nhận tín hiệu trong băng C 6.4 GHz từ LES và truyền tín hiệu xuống băng L 1.5 GHz tới MES, sau khi thực hiện biến đổi tần số và biên độ bởi HPA Tín hiệu băng C được cung cấp bởi IBF và LNA, với kênh tín hiệu A được giám sát bởi thiết bị điều khiển mức tự động (ALC) để giới hạn biên độ tín hiệu HPA gồm sáu TWTA, với năng lượng liên kết giữa chúng Tín hiệu điều khiển đáp ứng cho từng bốn TWTA, đảm bảo hoạt động liên tục ngay cả khi một TWTA gặp sự cố Tín hiệu điều khiển được điều chỉnh trước bởi bộ bù biên độ, trong khi TWTA hoạt động được lựa chọn thông qua chuyển mạch 2/3 và 3/2, cùng với bộ tổ hợp năng lượng để điều chỉnh đầu ra.
Bộ phát đáp Inmarsat-2 băng L/C – bộ phát đáp nhận tín hiệu đường lên trong băng
Tín hiệu 1.6 GHz từ MES được truyền trở lại xuống băng C 3.6 GHz tới LES, sau đó được biến đổi và điều chỉnh biên độ bởi HPA Tín hiệu nhận được từ ăng ten băng L sẽ trải qua quá trình biến đổi xuống qua IBF và LNA Sau khi chuyển đổi, tín hiệu sẽ được chuyển tới IF 60 MHz nhờ LO Bộ phận lọc sẽ cung cấp các đặc tính yêu cầu được chia thành bốn kênh, trong khi biên độ tín hiệu trong HPA sẽ chạy qua dải giữa và được lọc điều hòa.
OBF trước khi phân phối giữa băng tần truyền dẫn băng C cho bức xạ bề mặt trái đất.
Hình 2-6: Bộ phát đáp băng tần C/L và L/C
2.1.5.Phân hệ của bộ phát đáp
Mỗi bộ phát đáp bao gồm ba phân hệ: phân hệ anten, phân hệ thông tin và phân hệ TT&C
Anten trên vệ tinh thực hiện chức năng kép là thu đường lên và phát đường xuống, với nhiều loại như anten dipole và anten hướng cao phục vụ viễn thông và truyền hình Búp sóng của anten thường được tạo ra bởi các anten phản xạ, chủ yếu là bộ phản xạ parabol tròn xoay Hệ thống anten của vệ tinh INTELSAT VI thể hiện sự phức tạp trong thiết kế cho các vệ tinh thông tin lớn Các anten này được tiếp sóng bởi các dàn anten loa, với các nhóm loa được kích thích để tạo búp sóng cần thiết Hình minh họa cho thấy các dàn riêng biệt được sử dụng cho phát và nón cho tín hiệu điều khiển Một loa tiếp sóng có thể phục vụ cả chức năng phát và thu với cùng phân cực, trong khi các loa khác nhau có thể được sử dụng cho cả hai chức năng trên cùng một bộ phản xạ.
Hình 2-7: Phân hệ anten cho vệ tinh INTELSAT VI
2.1.5.2.Phân hệ đo bám và điều khiển từ xa
Phần mặt đất của hệ thống thông tin vệ tinh
2.2.1.Cấu trúc và chức năng của trạm mặt đất
Trạm mặt đất bao gồm các thành phần chính như anten, bộ khuếch đại công suất cao (HPA), bộ khuếch đại thấp (LNA), các bộ biến đổi tần số phát và thu, bộ điều chế và giải điều chế, thiết bị sóng mang đầu cuối, cùng với thiết bị điều khiển và giám sát.
Trạm mặt đất bao gồm hai nhánh chính: nhánh phát tín hiệu và nhánh thu tín hiệu Trong nhánh phát, tín hiệu từ thiết bị truyền dẫn được đưa đến bộ đa truy nhập, qua bộ điều chế để tạo tín hiệu trung tần, sau đó được biến đổi thành tín hiệu cao tần nhờ bộ biến đổi tần lên U/C và đưa vào bộ khuyếch đại công suất cao HPA, đảm bảo đủ công suất để phát lên vệ tinh Ngược lại, trong nhánh thu, anten trạm mặt đất nhận tín hiệu từ vệ tinh, sau đó tín hiệu này được máy thu khuyếch đại tạp âm thấp, qua bộ biến đổi tần xuống D/C để chuyển đổi thành tín hiệu trung tần, tiếp theo là quá trình giải điều chế và đưa đến thiết bị đa truy nhập, cuối cùng là thiết bị giải ghép kênh để phân tách tín hiệu vào các kênh thông tin riêng lẻ.
Hình 2-9: Sơ đồ khối trạm mặt đất
Để đảm bảo cả chức năng phát và thu, các phần tử cơ bản của trạm mặt đất được thiết kế với tính năng dự phòng, như thể hiện trong hình 2.10 Dự phòng ở đây có nghĩa là một số khối được nhân đôi để tăng độ tin cậy Khi một khối gặp sự cố, hệ thống sẽ tự động chuyển mạch sang khối dự phòng, đảm bảo hoạt động liên tục Các khối dự phòng được minh họa trong hình 2.10 với dạng đường ngắt quãng.
Hình 2-10: Các phần tử căn bản của một trạm mặt đất có dự phòng
2.2.2.Các công nghệ quan trọng đối với trạm mặt đất
Công nghệ anten yêu cầu hệ số tăng ích cao và hiệu suất tối ưu, đồng thời cần có biểu đồ bức xạ tốt, búp sóng phụ nhỏ, đặc tính phân cực vượt trội và khả năng chống nhiễu thấp.
Công nghệ máy phát công suất cao:Yêu cầu có hệ số khuyếch đại công suất cao,và có khả năng chống xuyên nhiễu điều chế.
Công nghệ điều khiển tiếng dội :Yêu cầu triệt và nén tiếng dội,có hiệu quả truyền dẫn cao và có khả năng điều khiển lỗi.
2.2.2.1 Máy phát công suất cao
Trong thông tin vệ tinh, do khoảng cách truyền tín hiệu rất xa và mức độ hấp thụ cao, máy phát của trạm vệ tinh mặt đất cần có công suất lớn từ hàng trăm đến hàng ngàn watt Điều này nhằm bù đắp cho tổn hao tín hiệu trên đường truyền và đảm bảo cường độ trường đủ lớn tại vệ tinh Công suất của máy phát cao phụ thuộc vào loại và số lượng sóng mang được sử dụng.
2.2.2.2.Công nghệ máy thu Ở trạm vệ tinh mặt đất bộ khuyếch đại tạp âm thấp(LNA)đóng vai trò quan trọng,vì tín hiệu nhận được tại đầu vào anten rất nhỏ do bức xạ từ vệ tinh bị hấp thụ rất lớn trên đường truyền vì cự ly truyền dẫn quá dài.Bộ khuyếch đại tạp âm thấp cũng cần phải có độ rộng băng tần phủ được khoảng tần số của băng tần vệ tinh.Quy định của Intelsat về tiêu chuẩn các trạm vệ tinh mặt đất được quyết định bởi:Hệ số phẩm chất của hệ thống(G/T).(G/T) được đánh giá đầu tiên là hệ số tăng ích của anten,hệ số tạp âm và hệ số khuyếch đại tạp âm thấp.Để hoạt động được thông suốt thì ở máy phát công suất, máy thu đều có hệ thống dự phòng của nó.
Cấu trúc hệ thống thông tin di động vệ tinh
Trong mười năm qua, thông tin di động vệ tinh đã trải qua những thay đổi đáng kể, bắt đầu từ hệ thống INMARSAT với các vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh (GSO) Năm 1996, INMARSAT đã phóng 3 trong số 5 vệ tinh của INMARSAT 3, tạo ra các chùm búp hẹp với khả năng phủ sóng toàn cầu Hiện nay, các vệ tinh GSO cho phép kết nối với các thiết bị di động mặt đất, như ô tô hoặc thiết bị có kích thước tương đương va li, nhưng vẫn chưa hỗ trợ cho các máy thu phát cầm tay Các thành phần chính trong cơ sở hạ tầng của thông tin di động vệ tinh được minh họa trong hình vẽ 2.11.
Hình 2-11: Các thành phần chính trong mạng thông tin di động qua vệ tinh
Hiện nay, thông tin di động vệ tinh đang chuyển sang dịch vụ thông tin động cá nhân (PCS) với các máy thu phát cầm tay Để phục vụ ứng dụng này, các vệ tinh cần có quỹ đạo thấp (LEO) ở độ cao khoảng 1000 km và quỹ đạo trung (MEO) ở độ cao khoảng 10.000 km Các vệ tinh sử dụng các chùm búp hẹp chiếu xạ mặt đất, tạo thành cấu trúc tổ ong giống như hệ thống tổ ong mặt đất Mặc dù các vệ tinh di chuyển, nhưng các chùm búp này vẫn có thể coi là dừng lại đối với các trạm di động, do tốc độ di chuyển của chúng khá nhanh.
2.3.1.Cấu trúc mạng di động của hệ thống GSO
2.3.1.1.Hệ thống cho Bắc Mỹ
Tập đoàn vệ tinh di động AMSC cung cấp các dịch vụ thông tin di động vệ tinh đa dạng, bao gồm dịch vụ thông tin di động vệ tinh mặt đất liền (LMSS), hàng không (AMSS) và hàng hải (MMSS) Hệ thống này hỗ trợ các dịch vụ thoại, dữ liệu và fax cho máy tính xách tay, ô tô và các trạm cố định, được gọi là "ô trên trời" Dịch vụ tổ ong cho máy cầm tay có thể được truy cập thông qua khai thác song mốt tại các khu vực có hệ thống thông tin di động mặt đất Tuy nhiên, AMSC không đủ mạnh để cung cấp dịch vụ cho máy cầm tay do yêu cầu về anten mặt đất cần có khuyếch đại khoảng 10dB để đảm bảo chất lượng dịch vụ thoại tin cậy.
Tần số công tác của AMSC-1 cho đường xuống là 1530-1559 MHz và cho đường lên là 1631,5-1660 MHz, với tần số tiếp sóng là băng 13GHz cho đường xuống và băng 10GHz cho đường lên Vệ tinh hoạt động trong ống cong, cho phép hai trạm mặt đất cùng nhìn thấy vệ tinh trong quá trình liên lạc mà không cần xử lý kênh trên vệ tinh Đầu cuối của người sử dụng hoạt động ở băng L, với quy trình định tuyến tín hiệu đến và từ vệ tinh được minh họa trong hình 2.12 Hai anten dù mở được sử dụng để kết nối thông tin giữa người sử dụng, trong khi anten siêu cao tần (SHF) được định dạng để phủ sóng hầu hết Bắc Mỹ Không có kết nối trực tiếp băng L giữa hai người sử dụng; để thực hiện cuộc gọi, người dùng phát tín hiệu lên băng L đến vệ tinh, nơi tín hiệu được chuyển đổi tần số và phát xuống trung tâm điều khiển Trung tâm này sẽ xác định cặp kênh cho cuộc gọi Sau khi kết nối, hai bên có thể trao đổi thông tin qua các bước chuyển tiếp giữa vệ tinh và trạm cổng Nếu bên nhận không phải là máy di động, cuộc gọi sẽ được kết nối đến PSTN nội hạt Sau khi cuộc gọi kết thúc, kênh sẽ được giải phóng, với thông tin được thực hiện qua hai chặng mà không có kết nối trực tiếp ở băng L.
Thuật ngữ kỹ thuật liên quan đến việc không đấu nối băng L với băng L ở vệ tinh AMSC sử dụng các đầu cuối hai chế độ vệ tinh và tổ ong Nếu máy di động không thể kết nối với hệ thống tổ ong mặt đất, cuộc gọi sẽ được định tuyến qua chế độ vệ tinh Cấu trúc vệ tinh AMSC được minh họa trong hình vẽ 2.13b dưới đây.
Hình 2-12: Vệ tinh hai băng tần AMSC
2.3.1.2 Dịch vụ cho Châu Âu bằng hệ thống Archimedes
Hãng hàng không vũ trụ Châu Âu đã đề xuất sử dụng vệ tinh "Molnya" với quỹ đạo elip tại điểm cực viễn để cung cấp dịch vụ thoại qua đầu cuối kích thước vali cho Châu Âu Hai yếu tố quan trọng là góc ngẩng cao và tính hướng anten tăng giúp giảm quỹ đường truyền, từ đó tiết kiệm đáng kể công suất vệ tinh Hệ thống này bao gồm bốn vệ tinh, mỗi vệ tinh ở một quỹ đạo Molnya, được bố trí cách nhau 90 độ và có góc nghiêng 63,4 độ Các vệ tinh được định pha xung quanh điểm cực viễn vào những thời điểm khác nhau, đảm bảo phủ sóng toàn bộ Châu Âu trong 24 giờ.
Hình 2-13: Các quỹ đạo vệ tinh Molnya; b)Cấu hình hệ thống thông tin di động vệ tinh AMSC và Archimedes.
Mỗi vệ tinh sẽ chiếu xạ Châu Âu thông qua 6 búp sóng, giúp tăng cường độ phủ sóng Việc giảm độ rộng búp sóng sẽ làm tăng hệ số khuyếch đại, điều này rất quan trọng do khoảng cách đến trạm mặt đất ngày càng xa Hệ thống cung cấp dịch vụ hoạt động ở băng L, với mỗi vệ tinh đảm bảo cung cấp dịch vụ ổn định cho khu vực được phục vụ.
Cấu hình vệ tinh cho hệ thống AMSC và Archimedes là giống nhau, như thể hiện trong hình 2.13 b Cả hai hệ thống đều áp dụng bộ phát đáp "ống cong", cho phép sử dụng cho tất cả các tiêu chuẩn điều chế và truy nhập.
2.3.2 Mạng di động vệ tinh quỹ đạo không phải địa tĩnh(NGSO)
Hình 2-14: Cấu trúc chung của hệ thống thông tin LEO/MEO
2.3.2.1.Hệ thống vệ tinh di động LEO nhỏ
Các vệ tinh LEO hoạt động ở độ cao từ 700km đến 1500km so với bề mặt trái đất, thuộc loại quỹ đạo thấp và không phải quỹ đạo địa tĩnh Hệ thống vệ tinh LEO cung cấp dịch vụ nhanh chóng và tiết kiệm chi phí, tạo ra vị thế cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường Người dùng có thể kỳ vọng nhận được các dịch vụ như gửi tin nhắn, e-mail, nhắn tin hai chiều, truy cập internet hạn chế và fax từ các nhà cung cấp LEO nhỏ Thị trường tiềm năng cho các vệ tinh LEO nhỏ bao gồm truyền dữ liệu xa, theo dõi số cho quản lý vận chuyển, giám sát môi trường và SCADA.
Cấu hình mạng truyền thông MSS LEO 1 được thiết kế với 48 vệ tinh LEO nhỏ, nhằm cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu không dây chất lượng cao với chi phí thấp Giải pháp này phục vụ cho các lĩnh vực như kinh doanh, công nghiệp, giao thông, chính phủ và các thuê bao toàn cầu.
Chòm vệ tinh GMSC LEO 1 bao gồm 48 vệ tinh hoạt động cùng với 2 vệ tinh dự phòng trên quỹ đạo và 2 vệ tinh dự phòng trên mặt đất Mỗi vệ tinh LEO 1 được trang bị 2 anten xoắn 4 UHF và 1 anten xoắn 4 sợi VHF để phát và thu tín hiệu Mạng LEO 1 cung cấp liên kết từ cuối người dùng tới vệ tinh hoạt động ở tần số 149 MHz, và từ vệ tinh tới đầu cuối người dùng ở tần số 137 MHz.
15 kênh đường lên dịch vụ và chỉ một kênh đường xuống dịch vụ Cấu hình không gianGMSC LEO 1 cho dưới đây.
Hình 2-15: Cấu hình không gian LEO 1
LEO 1 phát triển một phương tiện liên lạc tích hợp mới (ICF) có thể phục vụ như một trạm mặt đất cổng hoặc trạm chuyển tiếp trong mạng LEO 1 NVNG MSS, thường được biết đến với cái tên hệ thống LEO nhỏ Hệ thống 18 vệ tinh LEO sẽ bao gồm xấp xỉ 20 GGS hoặc ICF hoạt động trong băng tần VHF hoặc UHF, khả năng cung cấp các dịch vụ bản tin lưu đệm và chuyển tiếp gần thời gian thực tới các người dùng trên thế giới GGS bao gồm các thành phần không di chuyển, không dùng các vòm bọc anten và yêu cầu diện tích nhỏ nhất Đầu cuối người dùng di động (MUT) hay MES cung cấp kết nối dữ liệu gói với các vệ tinh và có khả năng gửi và nhận dữ liệu số Trên đường lên, người dùng truy nhập vài kênh thông tin và truyền dữ liệu tới các vệ tinh với tốc độ dữ liệu từ 2.4/9.6 kb/s. Các đường xuống từ vệ tinh được phân bố cho các đầu cuối người cùng đặc trưng Các bản tin có thể được gửi giữa các người dùng, như con người hay máy di động được biểu diễn trên hình tương tự, nơi mà một hoặc nhiều người dùng được trang bị đầu cuối LEO
Hệ thống MSS sử dụng đầu cuối MES gắn trên xe tải để gửi tin nhắn tới vệ tinh gần nhất Vệ tinh sẽ chuyển tiếp tin nhắn này tới GGS để xác nhận và tìm tuyến đường tối ưu Sau đó, GGS sẽ truyền tin nhắn tới địa chỉ nhận thông qua tuyến đường tốt nhất, kết nối với internet, PDN hoặc PSTN.
Các ứng dụng và hoạt động LEO 1
Các đầu cuối MES cung cấp liên kết cho các vệ tinh nhằm gửi và nhận bản tin dữ liệu Bản tin từ người gửi được gửi tới vệ tinh gần nhất, nơi liên kết với cổng nội hạt để xác nhận và tối ưu hóa định tuyến tới phía nhận Khoảng 20 GGS kết nối qua mạng xương sống mặt đất LEO 1 Đối với phía nhận di động, bản tin quay trở lại vệ tinh và được lưu tóm tắt cho đến khi phía thu ở trong vùng nhìn thấy, trước khi chuyển tới khối thu nhận GGS có khả năng chuyển tiếp bản tin giữa các vệ tinh để tăng tốc độ trao đổi Nếu phía thu ở vị trí cố định, bản tin được truyền tới phía nhận điều phối qua liên kết với mạng xương sống LEO 1, và liên kết cuối cùng từ mạng này tới khách hàng thông qua internet, đường quay số hoặc kết nối xác định.
Các công nghệ đa truy nhập sử dụng trong thông tin di động qua vệ tinh
Các cổng là các trạm mặt đất có thể kết nối tới mạng PSTN qua các anten parabol băng
K có độ lợi lớn trong việc theo dõi các vệ tinh Iridium cho các hoạt động mạng và dịch vụ Nó hỗ trợ kết nối của các thuê bao di động qua mạng Iridium đến mạng PSTN mặt đất, đồng thời cung cấp các chức năng quản lý mạng cho toàn bộ cơ sở hạ tầng Mỗi GES được kết nối với vệ tinh và hiện nay đã có GES trên toàn thế giới.
Cấu hình mạng mặt đất bao gồm ba loại khối đầu cuối di động (MTU): khối cầm tay, khối định vị di động và khối cố định Các đầu cuối người dùng được trang bị anten đẳng hướng nhằm hỗ trợ truyền dữ liệu và fax với tốc độ 2.4kb/s cho nhắn tin số và chữ Hệ thống Iridium cho phép truyền thông thoại và nhắn tin mà không phụ thuộc vào vị trí của người dùng hay tính sẵn sàng của mạng PSTN Sự thay đổi của khối thuê bao để kết nối với mạng Iridium bao gồm máy cầm tay hai chế độ, máy nhắn tin bỏ túi, và các đầu cuối xách tay, cố định hay điện thoại thanh toán, cùng với thiết bị chuyên dụng cho biển, đất liền và trên không.
CHƯƠNG 8 2.4 Các công nghệ đa truy nhập sử dụng trong thông tin di động qua vệ tinh
Các trạm mặt đất trong hệ thống thông tin vệ tinh giao tiếp thông qua một điểm nút do vệ tinh đảm nhiệm, với vệ tinh chứa bộ phát đáp Bộ phát đáp này bao gồm nhiều kênh hoạt động đồng thời trên các băng tần con của toàn bộ băng tần được sử dụng Để truyền tin giữa các trạm mặt đất, cần thiết lập nhiều đường truyền đồng thời trên cùng một kênh vệ tinh, phụ thuộc vào giải pháp được chọn, kênh vệ tinh có thể khuếch đại một hoặc nhiều sóng mang.
Các kỹ thuật đa truy nhập như FDMA, TDMA và CDMA cho phép nhiều trạm mặt đất truy cập đồng thời vào bộ phát đáp của vệ tinh, từ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi thông tin giữa các trạm.
2.4.1.Đa truy nhập phân chia theo tần số,FDMA
Trong phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), băng thông của kênh trạm lặp được chia thành các băng con và ấn định cho từng sóng mang phát từ trạm mặt đất Các trạm mặt đất phát liên tục sóng mang ở các tần số khác nhau, tạo thành các kênh riêng biệt Để tránh nhiễu giữa các kênh lân cận, cần đảm bảo khoảng bảo vệ giữa các băng tần Sự phân chia này phụ thuộc vào các kỹ thuật ghép kênh và điều chế, dẫn đến các sơ đồ truyền dẫn khác nhau tương ứng với các tổ hợp ghép kênh và điều chế khác nhau.
2.4.1.1 FDM/FM/FDMA Ở cấu hình ghép kênh theo tần số, điều tần (FM) và đa truy nhập phân chia theo tần số (FDM/FM/FDMA trên hình 2.38a) các tín hiệu băng tần gốc của người sử dụng là tín hiệu tươngtự Chúng được kết hợp để tạo thành một tín hiệu ghép kênh phân chia theo tần số (FDM) Tần số tín hiệu tương tự được ghép kênh nói trên sẽ điều chế tần số (FM) cho một sóng mang, sóng mang này sẽ truy nhập đến vệ tinh ở một tần số nhất định đồng thời cùng với các tần số khác từ các trạm khác Để giảm thiểu điều chế giao thoa, số lượng của các sóng mang định tuyến lưu lượng được thực hiện theo nguyên lý 'một sóng mang trên một trạm phát' Như vậy tín hiệu ghép kênh FDM bao gồm tất cả các tần số dành cho các trạm khác Hình 2.24 cho ta thấy thí dụ về một mạng có ba trạm
2.4.1.2 TDM/PSK/FDMA Ở cấu hình ghép kênh theo thời gian, điều chế khoá chuyển pha (PSK) và đa truy nhập phân chia theo tần số (TDM/PSK/FDMA ở hình 2.23b) tín hiệu băng gốc của người sử dụng là tín hiệu số Chúng được kết hợp để tạo ra một tín hiệu ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM).Luồng bit thể hiện tín hiệu được ghép này điều chế một sóng mang theo phương pháp điều chế pha PSK , tín hiệu này truy nhập đến vệ tinh ở một tần số nhất định đồng thời cùng với các sóng mang từ các trạm khác ở các tần số khác Để giảm tối thiểu các sản phẩm của điều chế giao thoa số lượng các tần số mang định tuyến lưu lượng được thực hiện theo phương pháp 'một sóng mang trên một trạm phát' Như vậy tín hiệu ghép kênh TDM bao gồm tất cả các tín hiệu phụ thuộc thời gian cho các trạm khác Hình 2.39 cho thấy thí dụ của một mạng có ba trạm
2.4.1.3 SCPC/FDMA Ở cấu hình một kênh trên một sóng mang (SCPC: Single Channel per Carrier) và đa truy nhập phân chia theo tần số (SCPC/FDMA ở hình 2.23c) từng tín tín hiệu băng gốc của người sử dụng sẽ điều chế trực tiếp một sóng mang ở dạng số (PSK) hoặc tương tự(FM) tuỳ theo tín hiệu được sử dụng Mỗi sóng mang truy nhập đến vệ tinh ở tần số riêng của mình đồng thời với các sóng mang từ cùng trạm này hay từ các trạm khác ở các tần số khác Như vậy định tuyến được thực hiện trên nguyên lý 'một sóng mang trên một đường truyền.
Hình 2-23: Các cấu hình truyền dẫn FDMA. a) FDM/FM/FDMA; b)TDM/PSK/FDMA; c) SCPC/FDMA
Hình 2-24: Thí dụ về một hệ thống FDMA ba trạm sử dụng định tuyến "một sóng mang trên một trạm"
Trong đa truy nhập phân chia theo tần số, bộ khuếch đại xử lý nhiều sóng mang ở các tần số khác nhau Khi N tín hiệu hàm sin với các tần số f1, f2, , fN đi qua bộ khuếch đại phi tuyến, đầu ra không chỉ bao gồm N tín hiệu ban đầu mà còn phát sinh các tín hiệu không mong muốn, được gọi là sản phẩm điều chế giao thoa Các sản phẩm này xuất hiện ở các tần số fIM, là tổ hợp tuyến tính của các tần số đầu vào, được biểu diễn bởi công thức: fIM = m1f1 + m2f2 + + mNfN, trong đó m1, m2, , mN là các số nguyên dương hoặc âm Đại lượng X được xác định là bậc của sản phẩm điều chế giao thoa.
Hình 2-25: Sản phẩm điều chế giao thoa bởi hai tín hiệu (các sóng mang không bị điều chế). a) có biên độ bằng nhau; b) và c) có biên độ khác nhau.
Khi sóng mang được điều chế, sản phẩm giao thoa không còn là các phổ vạch mà phân tán công suất trên một phổ rộng ở băng tần Nếu số lượng sóng mang đủ lớn, sự xếp chồng phổ của các sản phẩm điều chế dẫn đến mật độ phổ gần như không đổi trên toàn bộ băng tần của bộ khuếch đại, cho phép coi các sản phẩm điều chế giao thoa như tạp âm trắng.
Đa truy nhập phân chia theo tần số được đặc trưng bởi việc truy cập liên tục đến vệ tinh ở một băng tần nhất định, mang lại ưu điểm là đơn giản và dựa trên các kỹ thuật đã được kiểm nghiệm Tuy nhiên, phương pháp này vẫn tồn tại một số khuyết điểm cần được xem xét.
Thiếu sự linh hoạt trong việc cấu hình lại hệ thống có thể gây khó khăn khi cần điều chỉnh dung lượng, yêu cầu thay đổi quy hoạch tần số Điều này đồng nghĩa với việc phải thay đổi các tần số phát sóng, tần số thu nhận và băng thông của các bộ lọc tại các trạm mặt đất.
Khi số lượng truy nhập tăng cao, việc mất dung lượng trở nên rõ rệt do sự tạo ra các sản phẩm điều chế giao thoa Điều này đồng nghĩa với việc cần thiết phải làm việc ở công suất phát của vệ tinh giảm, dẫn đến việc lùi xa điểm bão hòa.
Để tránh hiện tượng lấn áp, cần điều khiển công suất phát của các trạm mặt đất sao cho công suất sóng mang ở đầu vào của vệ tinh đồng nhất Việc điều chỉnh này phải được thực hiện theo thời gian thực và có khả năng thích ứng với sự suy hao do mưa trên các đường lên Đây là kỹ thuật truy nhập lâu đời và phổ biến nhất, mặc dù vẫn còn một số nhược điểm.
2.4.2 ĐA TRUY NHẬP PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN, TDMA
ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN
Giới thiệu
Chương này phân tích môi trường truyền tải mà hệ thống vệ tinh di động hoạt động, trong đó khoảng cách giữa máy phát và máy thu xác định giới hạn kênh Trong mạng vệ tinh di động, có hai loại kênh chính: kênh di động, kết nối giữa thiết bị đầu cuối di động và vệ tinh, và kênh cố định, kết nối giữa trạm mặt đất cố định hoặc gateway và vệ tinh Sự khác biệt lớn giữa hai loại kênh này cần được tính toán cẩn thận trong quá trình thiết kế hệ thống Hơn nữa, kênh di động thường bị giới hạn bởi công suất máy phát, độ khuếch đại của máy thu và tầm nhìn xa của vệ tinh, so với kênh cố định Các dạng truyền cơ bản được minh họa trong hình 3.1.
Đặc tính kênh di động mặt đất
Hình 3-19: Môi trường lan truyền mạng di động
Tín hiệu vệ tinh di động mặt đất bao gồm ba thành phần chính: sóng thẳng trực tiếp (LOS), sóng tán xạ và sóng phản xạ từ mặt đất Sóng thẳng trực tiếp đến máy thu không bị ảnh hưởng bởi sự phản xạ từ môi trường xung quanh Hai yếu tố chính ảnh hưởng đến sự suy yếu của tín hiệu trực tiếp trong băng L-S là suy hao không gian tự do (FSL) và sự che khuất (shadowing) FSL phụ thuộc vào tần số và khoảng cách truyền dẫn.
Sự che khuất tín hiệu xảy ra khi có vật cản như cây cối hoặc tòa nhà, làm giảm khả năng nhìn thấy từ vệ tinh Hệ quả là tín hiệu nhận bị suy giảm, dẫn đến chất lượng truyền dẫn kém và QoS không được đảm bảo.
Thành phần tán xạ bao gồm nhiều tín hiệu phản xạ từ môi trường xung quanh như toà cao ốc, cây cối và cột điện báo Khác với mạng di động mặt đất, truyền lan đa đường chỉ ảnh hưởng nhỏ đến các đường truyền vệ tinh di động trong hầu hết các môi trường thực tế.
Thành phần phản xạ mặt đất được hình thành từ tín hiệu phản xạ gần trạm di động, với antena có độ lợi thấp và góc beamwidth rộng, điều khiển qua vệ tinh với góc đứng thấp, rất nhạy với dạng suy yếu này Ví dụ điển hình là thiết bị cầm tay, như đầu cuối điều khiển qua vệ tinh không địa tĩnh.
Bước đầu tiên trong việc mô hình hóa kênh di động vệ tinh là xác định và phân loại các kiểu môi trường điển hình, có thể thực hiện bằng cách chia môi trường thành ba loại khác nhau.
Khu vực đô thị, đặc trưng bởi hầu hết vật cản đến sóng trực tiếp.
Khu vực nông thôn và bỏ trống, không có vật cản đến sóng trực tiếp.
Khu vực chịu bóng cây và ngoại ô gây gián đoạn đến sóng vệ tinh di động, ảnh hưởng lớn đến việc tiếp nhận tín hiệu trong môi trường đô thị Tầm nhìn đến vệ tinh thường bị hạn chế, dẫn đến sự suy giảm của các thành phần đa đường Để cải thiện chất lượng tín hiệu, việc sử dụng các chòm đa vệ tinh với góc đứng thấp là cần thiết Công nghệ phân tập vệ tinh giúp tối ưu hóa việc nhận tín hiệu từ một hoặc nhiều vệ tinh, giảm thiểu tác động của sự che khuất.
Việc lựa chọn vị trí môi trường lan truyền trong khu vực đô thị là thiết yếu cho mạng vệ tinh di động Để đạt được mức giảm 6-10dB trong môi trường nông
Trong khu vực đất trống và nông thôn, LOS (Line of Sight) đến vệ tinh có độ chắc chắn cao, nhưng hiện tượng đa đường lại làm suy yếu đường truyền Thành phần đa đường có thể làm tăng cường hoặc gây ra giảm tín hiệu sóng trực tiếp Kết quả là, trong truyền dẫn vệ tinh di động, công suất tín hiệu sẽ bị biến thiên.
Trong môi trường có cây che khuất, sự tác động của đa đường làm giảm độ dài tín hiệu trực tiếp Mức độ suy giảm này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại cây, chiều cao và mật độ lá trên cây.
Tại khu vực ngoại ô, tín hiệu giảm sút chủ yếu do các toà nhà và vật cản nhân tạo, gây che khuất tín hiệu LOS trực tiếp Điều này dẫn đến sự suy giảm tín hiệu nhận được Hơn nữa, khi di động di chuyển qua các khu vực này, độ lớn và pha tín hiệu nhận liên tục biến thiên, tạo ra những thay đổi không ổn định trong chất lượng tín hiệu.
Mô hình hóa kênh được chia thành hai loại: băng hẹp và băng rộng Trong băng hẹp, ảnh hưởng của môi trường lan truyền tương tự cho tất cả các tần số trong băng, cho phép đặc trưng hóa bằng một tần số sóng mang đơn Ngược lại, trong băng rộng, môi trường lan truyền ảnh hưởng khác nhau đến từng thành phần tần số, dẫn đến hiện tượng méo dạng trong phổ chọn.
3.2.2.1 Tổng quan Đặc điểm chủ yếu kênh băng hẹp là tập trung vào tạo ra biên độ biến thiên của tín hiệu truyền thông qua kênh Đa số các khảo sát kích thước sử dụng tiệm cận băng hẹp và do đó một số lượng lớn các mẫu băng hẹp được cung cấp Những mẫu này có thể được phân loại thành (a) thực nghiệm với đường hồi quy khớp với dữ liệu được đo, (b) thống kê hoặc (c) hình học giải tích.
Các mẫu thực nghiệm như Rayleigh, Rician và phân phối logarit chuẩn tắc có thể mô tả độ nhạy của kết quả đối với các tham số giới hạn như góc đứng và tần số Những mẫu này được áp dụng trong các môi trường truyền dẫn khác nhau, đặc biệt hữu ích cho phân tích mô phỏng phần mềm Đồng thời, mẫu hình học giải tích giúp hiểu rõ hơn về môi trường truyền dẫn thông qua đặc trưng địa hình của khu vực.
3.2.2.2 Mẫu hồi quy thực nghiệm
Nhiều khảo sát kích thước trên toàn cầu đã tập trung vào việc phân loại kênh vệ tinh di động, nhằm mô phỏng vệ tinh thông qua các sân bay trên không như máy bay, trực thăng, và khinh khí cầu Một số khảo sát cũng áp dụng trong hệ thống vệ tinh địa tĩnh Dưới đây là mô tả ngắn gọn về một vài mẫu khảo sát phổ biến.
Mẫu che khuất bên đường thực nghiệm
Mẫu nghiên cứu này mô tả tác động của fading do cây bên đường gây ra, dựa trên các phép đo thực hiện trong môi trường nông thôn và ngoại ô Maryland, Hoa Kỳ Sử dụng công nghệ truyền dẫn di động vệ tinh và di động máy bay tại băng L[ VOG-92], các số đo được thực hiện cho góc đứng trong khoảng từ 20 đến 60 độ.
Đường truyền cố định
3.5.1 Ảnh hưởng của tầng đối lưu
Hơi nước và oxi trong không khí khô là hai thành phần chính gây ra sự hấp thụ khí Tổng độ suy giảm do hơi khí quyển được xác định bởi sự đóng góp của hai thành phần này Ở tần số dưới 10 GHz, ảnh hưởng của độ suy giảm do hơi khí quyển có thể được bỏ qua Tuy nhiên, ở tần số trên 150 GHz, hơi nước trở thành yếu tố chính gây ra độ suy giảm Độ hấp thụ khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, áp suất và độ ẩm, là những biến số cần thiết để tính toán độ hấp thụ khí theo độ cao.
Hình 3-22: Độ suy giảm riêng do hơi nước
Oxi có nhiều đường cộng hưởng trong khoảng 50 đến 70 Hz và một đường tách biệt tại 118.75 GHz Ở tần số trên 150 GHz, độ suy giảm do oxy trở nên không đáng kể so với độ suy giảm do hơi nước Để tính toán độ suy giảm riêng của oxy, một công thức được cung cấp cho điều kiện ở mực nước biển (áp suất 1013 hPa, nhiệt độ 15°C, mật độ hơi nước 7.5 g/m³) trong tài liệu tham khảo [ITU-99c] Trong trường hợp này, độ suy giảm do oxy được tính bằng cách nhân độ suy giảm riêng của không khí khô (dB/km) với độ cao tương đương h0 (km), áp dụng cho các góc đứng lên đến 10 độ.
ITU-R, ở hình 3.4 Áp dụng phương pháp ITU-R kết quả độ chính xác độ suy giảm cực điểm trong khoảng từ mực nước biển lên độ cao khoảng 2 km.
Khi biết độ cao của trạm Trái đất (hs) so với mực nước biển, dự báo sẽ chính xác hơn Ở góc đứng lớn hơn 100 độ, mức độ suy giảm do oxy sẽ tăng lên đáng kể.
(3.21) Đường hấp thụ hơi nước xảy ra tại 22.2, 67.8, 120, 183.3 và 325 GHz, nhiều đường trong sóng nhỏ hơn milimet và băng hồng ngoại Như là trưòng hợp hấp thụ oxy, ITU-
R cung cấp công thức đơn giản để tính toán độ suy giảm riêng của hơi nước tại mực nước biển với áp suất 1013 hPa và nhiệt độ 150°C Phương pháp này dựa trên việc tính toán độ suy giảm riêng biệt do hơi nước ở mực nước biển, sử dụng độ cao tương ứng của hơi nước để xác định độ dài đường đi tới cực điểm Công thức ITU cho độ suy giảm oxy cực điểm cũng được đề cập trong nghiên cứu này.
Kết hợp suy giảm oxy với suy giảm hơi nước, tổng suy giảm trên đường đi tại cực điểm tại mực nước biển cho bởi:
Hình 3.5 minh họa tổng suy giảm tại mực nước biển cho không khí khô và hơi nước theo dữ liệu từ ITU-R Đối với các góc lớn hơn 100 độ, định luật cosecant được áp dụng để tính toán.
(3.24) Đối với trạm Trái Đất hoạt động trên mực nước biển, tại độ cao hs km, công thức phía trên được thay đổi thành
Hình 3-23: Tổng suy hao không khí khô và hơi nước tại cực điểm từ mực nước biển.
3.5.1.1 Độ suy giảm do mưa Đóng góp lớn nhất vào suy giảm khí quyển là do mưa Nhiều mẫu dự báo cho suy giảm do mưa tồn tại Nói chung, những phương pháp dự báo sử dụng hai bước mô hình hoá Bước thứ nhất bao hàm dự báo phân bố xác suất cường độ mưa rơi và bước thứ hai liên quan đến sự giảm trên đường đi với độ suy giảm riêng biệt, (dB/km) là biểu thị dạng của tốc độ mưa rơi R (mm/h) và chiều dài đường nghiêng, Ls , và chiều dày lớp nước mưa, hR, hình vẽ 3.6.
Phương pháp từng nấc đơn giản giúp xác định độ suy giảm do mưa trong ITU-99d Đầu tiên, đường nghiêng Ls được xác định từ chiều dày lớp nước mưa hR, có thể xấp xỉ h0, biểu thị chiều dày đẳng nhiệt.
Chiều dài đường nghiêng và độ cao mưa có mối quan hệ quan trọng, đặc biệt khi góc đứng vượt quá 50 độ Công thức xác định chiều dài đường nghiêng nằm dưới chiều dày lớp nước mưa sẽ giúp hiểu rõ hơn về hiện tượng này.
(3.26) hoặc với góc đứng nhỏ hơn 50:
Hình 3-25: Mật độ mưa (mm/h)vượt quá 0.01 % trung bình năm
Bước tiếp theo là đạt cường độ lượng mưa vượt quá 0.01% trung bình năm (R0.01) Dự báo cường độ lượng mưa có thể được thực hiện dựa trên vĩ độ và kinh độ ở bất kỳ đâu trên thế giới, theo khuyến nghị của ITU-99f Hình 3.7 minh họa bản đồ cường độ mưa tính bằng mm/h cho 0.01% trung bình năm Từ cường độ lượng mưa, độ suy giảm do mưa có thể được tính toán bằng công thức cụ thể.
(3.28) Trong đó k và là hệ số phụ thuộc tần số, các giá trị cho đường phân cực ngang và dọc tuyến tính theo bảng 3.3, xác định bởi Ref [ITU-99g].
Bảng 3.3 Hệ số hồi quy ITU-R cho độ suy giảm ước lượng
ITU cung cấp công thức sau để tính k và sử dụng bảng 3.3, cho phân cực tuyến tính và tròn, cho tất cả dạng hình học.
Trong đó là góc đứng và là góc nghiêng phân cực tương ứng đường nằm ngang
Giá trị của k và tần số không có trong bảng 4.3 có thể được tính toán thông qua nội suy, sử dụng thang đo logarit cho tần số và k, cùng với thang đo tuyến tính cho các giá trị khác Theo báo cáo của ITU, phương pháp này đạt độ chính xác lên tới 55GHz.
Bước tiếp theo là tính toán hệ số giảm ngang và dọc, r0.01 và v0.01, trong đó:
(3.30) Độ suy giảm ước lượng vượt quá phần trăm khác trung bình năm, trong dải 0.001-5% có thể tính được sử dụng công thức:
Trong đó nếu và ; nếu và và cho trường hợp còn lại
Theo trên, chỉ vị trí vĩ độ và là góc đứng tới vệ tinh. Đôi khi, thật quan trọng để biết kích thước thống kê tháng xấu nhất
Công thức của ITU cho phép chuyển đổi số dư phần trăm hàng năm, p, thành số dư phần trăng theo tháng xấu nhất, pw, theo công thức:
Do sự khác biệt về tần số trong độ suy giảm của mưa và khu vực nóng chảy, Watson-Hu đã áp dụng một phương pháp dựa trên tính vật lý, mô hình hóa khu vực mưa và vùng nóng chảy một cách tách biệt.
Quá trình mưa bao gồm ba thành phần chính: thành phần mưa, lớp nóng chảy và hơi nước Khi có cường độ mưa R, độ suy giảm A sẽ xảy ra do mưa rào liên tục hoặc mưa trải rộng, kèm theo lớp tan và hơi nước bão hòa.
Trong nghiên cứu này, H0 đại diện cho chiều dày lớp nước mưa theo định nghĩa của Leitao-Watson, trong khi Hm là chiều dày của lớp tan C là hệ số điều chỉnh cho mặt cắt đứng không đều của độ giảm riêng do mưa trong khu vực mưa Các yếu tố Arain(), Abb() và Awater vapour() lần lượt thể hiện độ suy giảm do mưa, độ suy giảm do lớp tan và độ suy giảm do cột hơi nước bão hoà.
Hình 3-26: Độ suy giảm dự báo (mẫu Watson-Hu) và đo được tại trạm Lario
3.5.1.2 Mây và sương mù Đối với hệ thống điều khiển tại tần số dưới 30 Ghz, tác động của mây và sương mù không ý nghĩa như các suy yếu khác và có thể bỏ qua Mặt khác, đối với hệ thống khả dụng yếu hoạt động trên 30 Ghz, giống như môi trường đầu cuối vận chuyển được, ảnh hưởng của độ suy giảm do mây mới trở nên có ý nghía. Độ suy giảm riêng của mây và sương mù phụ thuộc tần số, dung trọng nước lỏng (g/m3) và nhiệt độ Các mẫu thực nghiệm cho sự báo độ suy giảm do mây và sương mù đang trong giai đoạn phát triển, tuy nhiên, mẫu cho dự báo độ suy giảm do mây và sương mù được khuyến nghị bởi ITU, hợp lệ với tần số đến 200 GHz
Sự biến đổi ngẫu nhiên nhỏ của cường độ tín hiệu nhận
Tại góc đứng nhỏ hơn 100 độ, tín hiệu băng Ku và cao hơn thường gặp đối tượng nhỏ, với những dao động không đều do chiết suất tầng đối lưu Những biến đổi này có thể làm tăng hoặc giảm tín hiệu, đặc biệt trong môi trường di động với hiện tượng nhận tín hiệu đa đường Tuy nhiên, hệ thống hoạt động dưới 10 GHz và góc đứng trên 100 độ không bị ảnh hưởng bởi biến đổi trong tầng đối lưu ITU khuyến nghị rằng tất cả các thành phần trong tầng điện ly có thể gây suy giảm tín hiệu cần được kết hợp lại.