TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT

TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT Nhằm nghiên cứu yếu tố tác động đến tín hiệu và đường truyền qua vệ tinh VINASAT trên cơ sở các đặc điểm riêng của Việt Nam, từ đó đề xuất những biện pháp kỹ thuật có thể nhằm tối ưu đường truyền, phòng tránh và xử lý các can nhiễu đang phải đối mặt

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Trần Xuân Dân TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI - 2013 Luận văn được hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Đức Nhân Phản biện 1: ……………………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………………… Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Vào lúc: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông 1 MỞ ĐẦU Sau 5 năm hoạt động, lượng sóng mang hoạt động trên vệ tinh VINASAT đã không ngừng tăng lên kéo theo nhiều vấn đề như: can nhiễu, công suất tiêu thụ của các bộ phát đáp, chất lượng tín hiệu qua đường truyền vệ tinh suy giảm theo lượng khách hàng… Đi đôi với việc tính toán hỗ trợ khách hàng đăng nhập vệ tinh, thì việc thiết kế, tối ưu đường truyền và cấp phát băng thông phù hợp với từng đối tượng khách hàng là những giải pháp trước mắt và dài hơi để đối phó với những vấn đề đang tồn tại. Nhằm nghiên cứu yếu tố tác động đến tín hiệu và đường truyền qua vệ tinh VINASAT trên cơ sở các đặc điểm riêng của Việt Nam, từ đó đề xuất những biện pháp kỹ thuật có thể nhằm tối ưu đường truyền, phòng tránh và xử lý các can nhiễu đang phải đối mặt, tôi đã quyết định chọn đề tài “TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT“ 2 Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG VỆ TINH VINASAT Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, các vệ tinh VINASAT và các thông số kỹ thuật chung. 1.1. Vệ tinh nhân tạo 1.1.1. Lược sử các vệ tinh nhân tạo Vệ tinh nhân tạo đầu tiên của Trái Đất là Sputnik 1, do Liên xô (cũ) phóng vào ngày 04-10-1957. Việc phóng vệ tinh này đã châm ngòi cho cuộc chạy đua vào vũ trụ giữa Liên xô (cũ) và Hoa kỳ. 1.1.2. Các nước có khả năng phóng vệ tinh 1.1.3. Đưa vệ tinh lên quĩ đạo địa tĩnh Có nhiều phương pháp đưa vệ tinh viễn thông lên quĩ đạo địa tĩnh bằng tên lửa đẩy, nhưng chủ yếu thuộc ba dạng sau: Phương pháp Walter Hohmann là cách đưa vệ tinh từ quĩ đạo tròn có độ cao thấp hơn lên quĩ đạo tròn có độ cao lớn hơn. Phương pháp phóng chuyển tiếp: tên lửa đưa vệ tinh lên tới quĩ đạo chuyển tiếp địa tĩnh GTO (Geostationary Transfer Orbit) thông qua quỹ đạo tròn thấp LEO có độ cao 200km. Phương pháp phóng liên tiếp: tên lửa phóng đưa vệ tinh lên thẳng tới quĩ đạo địa tĩnh của Trái Đất GSO. 1.2. Vệ tinh Vinasat Hiện nay VNPT đang quản lý và khai thác 2 vệ tinh VINASAT-1 và VINASAT-2. 3 Bảng 1.3. So sánh một số thông số của VINASAT-1 và VINASAT-2 Chỉ tiêu kỹ thuật VINASAT-1 VINASAT-2 Vị trí quỹ đạo 131.94 độ E 131.8 độ E Thời gian sống Từ 15 – 20 năm 15 năm Vùng phủ sóng Băng Ku: Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan và một phần Myanmar. Băng C: Việt Nam, Lào, Campuchia, Đông Nam Á, đông Trung Quốc, Triều Tiên, Ấn Độ, Nhật Bản và Australia. Chỉ có băng Ku: Việt Nam, Lào, Campuchia, Thái Lan, Singapore, Myanmar và một phần Malaysia. Dung lượng thiết kế 20 bộ phát đáp (08 bộ băng tần C mở rộng, 12 bộ băng tần Ku) với băng thông 36Mhz/1 bộ, 08 bộ phát đáp dự phòng (04 bộ băng Ku, 04 bộ băng C mở rộng) Gồm các bộ phát đáp băng tần Ku (24 bộ khai thác thương mại và 6 bộ dự phòng) Phân bổ tần số Tần số phát Tx hoạt động trong dải từ 13,750 – 13,990 GHz và 14,255 – 14,495 GHz Tần số thu Rx hoạt động trong dải từ 10,950 – 11,200 GHz và 11,450 – 11,700 GHz Tần số phát Tx hoạt động trong dải từ 12,750 – 13,250 / 13,750 – 14,500 GHz Tần số thu Rx hoạt động trong dải từ 10,70-11,70 GHz Phân cực Phát:V (đứng) Thu:H (ngang) Phát:H Thu:V 4 1.2.1. VINASAT-1 1.2.2. VINASAT-2 1.2.3. Khai thác vệ tinh VINASAT Các vệ tinh VINASAT sau khi ổn định trên quỹ đạo sẽ được đo kiểm IOT (In Orbit Test) nhằm mục đích kiểm tra các thông số phát đáp, độ ổn định của các thiết bị, các phân hệ…, và khả năng đáp ứng của nó với các điều kiện làm việc khác nhau. Sau đó, các bộ phát đáp được thiết lập những thông số vận hành cơ bản trước khi chính thức khai thác. Các thông số trên đều được phân tích kỹ lưỡng, ghi lại nhằm so sánh và hiệu chỉnh sau một thời gian sử dụng. Trong quá trình khai thác, tùy vào mục đích sử dụng, loại hình dịch vụ mà Đài điều hành và khai thác vệ tinh (NOC) sẽ lựa chọn và thay đổi các thông số trên từng bộ phát đáp cho phù hợp. Việc thay đổi này hết sức quan trọng và phải được tính toán kỹ lưỡng để vừa tối ưu chất lượng đường truyền nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu về công suất vệ tinh. 5 Chương 2: CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG ĐƯỜNG TRUYỀN Giới thiệu các tham số môi trường, khí hậu và tác động của nhiễu vệ tinh ảnh hưởng đến chất lượng đường truyền. 2.1. Các tham số môi trường 2.1.1. Tổn hao khí quyển Tín hiệu truyền giữa trạm mặt đất và vệ tinh sẽ phải qua tầng khí quyển của trái đất, trong đó gồm cả tầng điện ly, làm suy giảm chất lượng tín hiệu. Tổn hao xảy ra trong tầng khí quyển trái đất do sự hấp thu năng lượng của các quyển khí. Cần phân biệt tổn hao này với những tổn hao khác trong điều kiện thời tiết xấu, mà cũng được gọi là tổn hao khí quyển, những tổn hao có liên quan đến thời tiết gọi là suy hao tầng khí quyển và tổn hao hấp thụ đơn thuần được gọi là hấp thụ tầng khí quyển. Tổn hao do hấp thụ tầng khí quyển thay đổi theo tần số, đạt cực đại ở tần số 22.3 GHz, và 60 GHz. Tuy nhiên, tại các tần số đỉnh này, sự hấp thụ cũng khá thấp. Nhấp nháy khí quyển là một dạng pha đing, chu kỳ pha đing này khoảng vài chục giây. Nguyên nhân do sự khác nhau của chỉ số khúc xạ tầng khí quyển, theo đó tùy thuộc vào tính hội tụ hay phân kỳ của sóng điện từ mà nó đi theo các hướng khác nhau qua tầng khí quyển. Trong tính toán đường truyền, chúng ta cũng phải dự phòng một phần công suất nào đó để bù lại sự tồn tại của nhấp nháy khí quyển. Bảng 2.1. Các loại tổn hao liên quan đến thông tin vệ tinh Loại suy giảm Căn nguyên vật lý Chủ thể bị tác động Suy hao và tạp âm bầu trời tăng Quyển khí, mây, mưa Tần số trên 10 GHz Mất phân cực Các tinh thể băng tuyết, mưa Các hệ thống phân cực kép (C và Ku), tùy thuộc vào cấu hình hệ thống. Khúc xạ, đa đư ờng trong khí quyển. Quyển khí Truyền sóng và bám vệ tinh ở góc ngẩng thấp. 6 Sự nhấp nháy tín hiệu Dao động của hệ số khúc xạ giữa tầng đối lưu và điện ly. Trên 10 GHz tại tầng đối lưu với góc ngẩng thấp Dưới 10 GHz tại tầng điện ly Pha đing đa đường do vật cản. Bề mặt trái đất và các vật thể trên bề mặt. Các dịch vụ di động vệ tinh Trễ truyền dẫn và dao động Tầng điện ly và đối lưu Các hệ thống định vị và định thời chính xác, hệ thống TDMA Nhiễu liên hệ thống Ống dẫn, phân tán, nhiễu xạ Hiện nay chủ yếu là băng tần C, Phân tán mưa có thể tác động ở tần số cao hơn. 2.1.2. Ảnh hưởng của tầng điện ly Trong tầng điện ly, chỉ có quay phân cực và nhấp nháy là ảnh hưởng chính đến thông tin vệ tinh. Nhấp nháy điện ly là sự thay đổi của biên độ, pha, phân cực và góc tới của sóng điện từ. Do vậy khi tính toán, cần thiết phải dự phòng một phần công suất cho nhấp nháy tầng điện ly. 2.1.3. Suy hao do mưa Suy hao do mưa phụ thuộc vào tỷ lệ mưa. Giá trị cần quan tâm là phần trăm thời gian mà tỷ lệ đó bị vượt quá. Phần trăm thời gian thông thường tính trên một năm. Ví dụ, tỷ lệ mưa tại 0.001% nghĩa là tỷ lệ mưa mà tại đó lượng thời gian mà tỷ lệ đó bị vượt quá là 0.001 của một năm, hoặc 5.3 phút trong suốt mỗi năm, trong trường hợp này tỷ lệ mưa được viết là R 0.001 (nghĩa là tỷ lệ mưa tại phần trăm thời gian là 0.001%). 2.2. Nhiễu trong thông tin vệ tinh. Với rất nhiều dịch vụ viễn thông sử dụng sóng điện từ, nhiễu có thể phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau. Các trạm mặt đất vệ tinh và các trạm thu phát sóng điện từ phi vệ tinh làm việc trong các hệ thống tách biệt có thể gây các loại nhiễu cho nhau như sau: A1: Trạm phi vệ tinh phát sóng, gây nhiễu đến phần thu của trạm mặt đất. A2 là ngược lại. 7 B1: Vệ tinh phát sóng và ảnh hưởng đến phần thu của trạm mặt đất trong một hệ thống vệ tinh khác. B2: Trạm mặt đất phát sóng và ảnh hưởng đến phần thu của vệ tinh trong một hệ thống vệ tinh khác. C1: Vệ tinh phát sóng về trái đất và gây nhiễu lên phần thu của hệ thống mặt đất phi vệ tinh. C2 là ngược lại. E: Vệ tinh phát sóng gây ảnh hưởng đến phần thu của vệ tinh khác. F: Trạm mặt đất phát sóng gây ảnh hưởng đến trạm mặt đất khác. Hình 2.5. Các kiểu nhiễu có thể giữa các mạng ITU quy định công suất phát tối đa (chính xác hơn là mật độ phổ năng lượng tối đa) để cố gắng giảm thiểu khả năng gây nhiễu, tuy nhiên, nhiễu vẫn có thể có, và cần sự phối hợp giữa các nhà khai thác. Với hệ thống vệ tinh địa tĩnh, kiểu nhiễu B1 và B2 làm cho số lượng quỹ đạo vệ tinh giảm. Nó cho thấy tầm quan trọng của việc ITU phải giới hạn mật độ phổ năng lượng mà các trạm mặt đất phát lên. Phân tán năng lượng là một kỹ thuật được sử dụng để phân bố lại năng lượng phát ra đồng đều hơn trên toàn bộ băng tần sử dụng. 2.2.1. Nhiễu vệ tinh lân cận - ASI (trường hợp B1 và B2) Nhiễu có thể được coi như một dạng tạp âm, hiệu suất sử dụng của sóng mang được đánh giá qua thông số C/I, là tỷ số giữa công suất sóng mang mong muốn trên công suất 8 nhiễu tác động. Một thông số nữa cần phải xét đến là mẫu phát xạ của anten trạm mặt đất. Mặt phản xạ càng lớn thì độ rộng búp sóng càng nhỏ. Khoảng cách quỹ đạo của 2 vệ tinh được định nghĩa là α, góc nhìn từ tâm trái đất (góc địa tâm). Tuy nhiên từ trạm mặt đất, góc nhìn 2 vệ tinh là β. Đối với hầu hết các trường hợp tính toán liên quan đến nhiễu, ta coi tương đối α = β. Nhưng thực tế, việc coi tương đối như thế dẫn đến việc sai số về nhiễu. 2.2.1.1. C/I hướng xuống (downlink) 2.2.1.2. C/I hướng lên (uplink) 2.2.1.2. C/I tổng hợp giữa hướng lên và hướng xuống: 2.2.2. Hàm tăng ích của anten Mẫu bức xạ anten có thể chia làm ba vùng: vùng búp chính, vùng búp phụ và vùng chuyển tiếp. Trong tính toán nhiễu, ta không cần quan tâm chi tiết cụ thể về mẫu bức xạ, mà chỉ cần quan tâm đến đường bao của nó. Hàm tăng ích (dB) xác định tại các góc θ 0 khác nhau: [  (  ) ] =  29 − 25      ( 1 ≤  ≤ 7 ) + 8                      ( 7 <  ≤ 9 . 2 ) 32 − 25  ( 9 . 2 <  ≤ 48 ) − 10               ( 48 <  ≤ 180 ) (2.14) Với khoảng cách quỹ đạo như hiện nay, hàm tăng ích trên được sử dụng để đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiễu. 2.2.3. Nhiễu dải thông (passband) Tỷ số sóng mang trên nhiễu (C/I) tại đầu vào máy thu tùy thuộc vào độ rộng băng tần bị ảnh hưởng trùng khớp bao nhiêu với dải thông kênh mong muốn. Hai khả năng có thể xảy ra, khả năng thứ nhất toàn bộ dải thông mong muốn bị ảnh hưởng bởi nhiễu một nhiễu và khả năng thứ hai nhiều sóng mang gây nhiễu ở trong dải thông mong muốn. 2.2.3. Tán xạ năng lượng Năng lượng của tín hiệu là hằng số và độc lập với chỉ số điều chế. Khi không điều chế, tất cả năng lượng ở tần số sóng mang, và khi đã điều chế, cùng một mức năng lượng [...]... lượng đường truyền trên các vệ tinh VINASAT, đưa ra một số giải pháp tối ưu: phân bổ tần số, thiết lập thông số vệ tinh, lắp đặt và căn chỉnh anten khi đăng nhập, một số biện pháp xử lý các kiểu nhiễu thường gặp trên vệ tinh VINASAT Các giải pháp được đề cập chủ yếu tập trung giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu lên chất lượng đường truyền, cụ thể là nâng cao tỷ số C/I Công cụ sử dụng để tối ưu dựa trên cơ... Quy trình thiết kế đường truyền thông tin vệ tinh (3.37) 14 Tính toán thiết kế tuyến thông tin vệ tinh cho một hướng có thể được tóm tắt bằng 10 bước, các hướng ngược lại được tính tương tự: 1 Xác định băng tần mà hệ thống sẽ làm việc Tính toán so sánh có thể giúp ta lựa chọn phù hợp hơn 2 Xác định các thông số vệ tinh, ước lượng các thông số mà ta không biết 3 Xác định các thông số của trạm phát và... các thông số điều chế mong muốn trên tần số mong muốn sử dụng và các thông số và tần số của hệ thống gây nhiễu hoặc bị nhiễu Việc tính toán tương đối phức tạp, và đòi hỏi có sự phối hợp 2.3 Thực trạng chất lượng đường truyền qua vệ tinh Vinasat Là một nhà khai thác vệ tinh non trẻ, VINASAT gặp không ít khó khăn trong công tác quản lý và khai thác băng tần vệ tinh Từ khi chính thức đưa vào khai thác vệ. .. hệ số tăng ích của anten vệ tinh theo là tổn thất đường truyền, là suy hao khác ngoài tổn thất đường truyền Từ đó ta có ( / ) / + = 10 tại đầu vào của máy thu vệ tinh là: ( / )= − (3.28) 3.4 Tổng hợp C/N và C/I trong tuyến vệ tinh Khi một tuyến có nhiều tỷ số C/N thì chúng ta tổng hợp chúng lại thành một tỷ số C/N duy nhất, ký hiệu là ( / ) : ( / ) = 1/ 1 + 1 + 1 +⋯ (3.30) Vì tạp âm trong các tỷ số. .. đối với VINASAT phải lớn hơn 30dB 4.5.2.1 Các bước căn chỉnh phân cực hướng phát 4.5.2.2 Các bước căn chỉnh phân cực hướng thu 4.6 Xử lý nhiễu Chương 2 đã phân tích các loại nhiễu trong thông tin vệ tinh, trong đó phân loại cụ thể các nguồn có thể gây nhiễu cho một hệ thống vệ tinh bất kỳ Phần này sẽ đề cập chi tiết 17 hơn các thành phần nhiễu thường gặp trong các hệ thống sử dụng vệ tinh VINASAT và... vậy phân bố trên sóng mang và dải bên Sử dụng đặc tính này trong các trường hợp cụ thể để giới hạn mật độ phổ trong giới hạn được khuyến nghị Phân tán năng lượng làm giảm tất cả các kiểu nhiễu đặc biệt là kiểu A2, giữa trạm mặt đất và trạm phi vệ tinh, và C1 giữa vệ tinh và trạm phi vệ tinh Nó cũng làm giảm tạp âm xuyên điều chế 2.2.4 Phối hợp giữa các nhà khai thác vệ tinh Khi một mạng vệ tinh mới chuẩn... Nhiễu FM là trường hợp tiêu biểu của tạp nhiễu từ hệ thống mặt đất ảnh hưởng đến đường truyền sóng vệ tinh Các hệ thống làm việc với trung tần IF 70MHz là đối tượng ảnh hưởng chính của loại nhiễu này Vì đây là quá trình xâm nhập của hệ thống phi vệ tinh nên nguyên nhân chủ yếu do kết nối giữa MODEM và thiết bị RF kém (hở, thiết bị kết nối không tốt…) hoặc hệ thống nối đất không đảm bảo Baseband IF 70 MHz... hướng mở rộng của đề tài như sau: - Phát triển một phần tối ưu thành một tài liệu chi tiết về phân tích và xử lý nhiễu trong thông tin vệ tinh, có xét đến các đặc điểm riêng của VINASAT - Các biện pháp tối ưu: phân tích các khả năng cụ thể từng phân đoạn mặt đất, không gian, và vệ tinh - Phát triển phần mềm Tính toán tuyến cho sát hơn với đặc điểm riêng của VINASAT trong đó có tác động của thời tiết đặc... trí các sóng mang sao cho chênh lệch độ rộng băng tần của các sóng mang trên hai vệ tinh hoặc hai phân cực (phần dùng chung băng tần) càng lớn càng tốt để tạo ra hệ số lợi ích lớn Sau khi thực hiện tối ưu, C/I của sóng mang lớn được cải thiện rõ rệt, bởi ∆ có thể hơn 10dB, ít nhất cũng phải đạt được 3dB 4.3 Tối ưu thông số vệ tinh Bộ khuếch đại bù tuyến tính và tự động điều chỉnh mức (LDALC) có hai... nhập vệ tinh) và 4.4 (tối ưu mẫu bức xạ anten) Nhiễu ASI đường xuống cũng do hai nguyên nhân: Anten thu có đường kính quá nhỏ (nên búp sóng rộng hơn) và anten thu chỉnh hướng không đúng Trong đàm phán quỹ đạo vệ tinh, các vấn đề đường kính anten tối thiểu và công suất phát tối đa của các trạm mặt đất đã được quy định và thống nhất giữa các nhà khai thác, trong đó các nhà khai thác đi trước được ưu tiên . tài “TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT 2 Chương 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG VỆ TINH VINASAT Giới thiệu tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh, . CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Trần Xuân Dân TỐI ƯU HÓA MỘT SỐ THAM SỐ ĐƯỜNG TRUYỀN DẪN THÔNG TIN VỆ TINH TRÊN HỆ THỐNG VINASAT Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: . B1: Vệ tinh phát sóng và ảnh hưởng đến phần thu của trạm mặt đất trong một hệ thống vệ tinh khác. B2: Trạm mặt đất phát sóng và ảnh hưởng đến phần thu của vệ tinh trong một hệ thống vệ tinh