Giáo trình HỆ THỐNG VỆ TINH VSAT

CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH VSAT 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG: VSAT Verry Small Aperture Terminal nghĩa là “trạm thông tin vệ tinh mặt đất cỡ nhỏ”, được lắp đặt tại các địa điểm thu

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VỆ TINH VSAT 1.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG:

VSAT (Verry Small Aperture Terminal) nghĩa là “trạm thông tin vệ tinh mặt

đất cỡ nhỏ”, được lắp đặt tại các địa điểm thuê bao để liên lạc trực tiếp với một trạmVSAT khác hoặc với một trạm chủ (HUB), từ đó kết nối qua mạng viễn thông mặtđất

Trong chương này đề cập và tìm hiểu các khái niệm cơ bản về trạm mặt đấtVSAT, sơ lược hoạt động và cấu trúc như thế nào cũng như các ứng dụng cụ thể.Ngoài ra còn trình bày tính năng trong ứng dụng , dịch vụ và cả các giao diện mặtđất

1.2 KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG VSAT: (Verry Small Apature Terminal) 1.2.1 Mạng VSAT:

Hình 1.1 Ví dụ tổng quan về hệ thống vệ tinh VSAT

Thông tin vô tuyến dùng khoảng không gian làm môi trường truyền tín hiệu.Chỉ cần lắp đặt các thiết bị thu, phát ở một khoảng cách thích hợp hoặc chuyển tiếpqua vệ tinh Bằng phương pháp: Bên phát bức xạ các tín hiệu thông tin bằng sóng

1

điện từ, phía thu nhận sóng điện từ, từ bên phát qua không gian hoặc qua vệ tinhtách lấy tín hiệu gốc Việc sử dụng thông tin vô tuyến có nhiều tính năng ưu việt, tínhiệu không bị ngắt khi có các thảm hoạ, thiết lập dễ dàng, phạm vi rộng, có tínhhiệu quả kinh tế cao, được sử dụng rộng rãi trong truyền hình, hàng không, quân sự,thông tin vệ tinh - vũ trụ Tuy nhiên nó có một số nhược điểm như là hiện tượngFading, suy hao do mưa và nhiễu vì thông tin vô tuyến dùng không gian làm môitrường truyền tín hiệu.

Việc ứng dụng thông tin vô tuyến cho truyền thông chủ yếu được chia thành

ba loại: thông tin cố định, thông tin di động và thông tin vệ tinh Đề tài này chỉ tìmhiểu phần thông tin vệ tinh đó là mạng VSAT và tuyến thông tin

Từ VSAT (Very Small Aperture Terminal) có nghĩa là đầu cuối có khẩu độnhỏ, biểu thị một sự đổi mới công nghệ trong lĩnh vực thông tin vệ tinh VSAT làthiết bị được biết như là một trạm mặt đất, được dùng để nhận tín hiệu từ vệ tinhtruyền tới Cho phép truyền tín hiệu qua vệ tinh một cách đáng tin cậy, mà chỉ cần

sử dụng đĩa anten có đường kính điển hình vào khoảng 0,69m đến 1,30m (2 feet – 4feet) Các đĩa anten này được đặt trên nóc nhà hay trên mặt đất

Theo chức năng, trạm mặt đất VSAT được chia làm ba phần là anten, khốithiết bị ngoài ODU (Out Door Unit) và khối thiết bị trong nhà IDU (In Door Unit)được kết nối bởi một cặp dây cáp Các VSAT trao đổi thông tin với nhau qua mạng

2

tránh can nhiễu đến từ các hệ thống thông tin khác cũng sử dụng băng tần C Các hệthống hai chiều (two – way) dựa trên các nguyên lý trên cũng được đưa vào sửdụng Tuy nhiên, sau đó xuất hiện một hệ thống mới với băng tần Ku với khả năngđảm bảo thông lượng dữ liệu rất cao (56 – 64 Kbit/s) và sử dụng kỹ thuật điều chếkhác (kết hợp giữa TDM và TDMA)

Tên gọi VSAT ban đầu là một nhãn hiệu thương mại đã được thừa nhận rộngrãi để gọi các hệ thống vệ tinh lẫn các mạng (mạng VSAT) Sự thành công về kháiniệm tên gọi VSAT xuất phát từ một vài yếu tố:

- Do nhu cầu thị trường (các mạng thông tin thương mại) cần phải có cáckết nối trực tiếp, với giá thành rẻ giữa các đầu cuối từ xa với thiết bị xử lý trung tâm(máy chủ)

- Sự ra đời các vệ tinh có công suất lớn

- Các quy định đối với công nghệ vệ tinh ngày càng trở nên dễ dàng hơn

- Những tiến bộ to lớn trong công nghệ trạm mặt đất đã cho phép giảm giáthành và nâng cao khả năng hệ thống VSATs

1.2.3 Kiến trúc mạng VSAT:

Mạng VSAT là mạng cố định vệ tinh sử dụng vệ tinh địa tĩnh có độ cao35.786 km so với bề mặt trái đất và độ trễ đường truyền cho một bước nhảy khoảng0.25 s (theo đường: trạm mặt đất - vệ tinh - trạm mặt đất) Mạng VSAT có ba cấuhình tiêu biểu: mạng sao (STAR), mạng lưới (MESH) và cấu hình kết hợp cả mạngsao và mạng lưới (Star-Mesh)

3

Hình 1.2 Cấu hình sao và cấu hình lưới của mạng VSAT

Cấu hình hỗn hợp cho phép nhóm các trạm VSAT liên lạc giữa cấu hình lướivới cấu hình sao Cấu hình này phù hợp với mạng mà một số trạm sử dụng có nhucầu về lưu lượng lớn hơn hẳn các trạm VSAT khác ở trong mạng Các trạm có nhucầu lưu lượng cao được cung cấp bởi cấu hình lưới (MESH) và giảm chi phí dokhông cần phải thiết lập thêm phần thiết bị trạm chủ HUB và phần mạng còn lại vẫn

sử dụng cấu hình mạng sao

1.2.3.1 Mạng VSAT hình sao(STAR):

Hình 1.3 Mạng hình sao

Hiện nay, các đường truyền của hầu hết những hệ thống VSAT đều dựa trên

kỹ thuật TDM/TDMA và được xây dựng theo cấu trúc hình sao

4

Mạng VSAT hình sao (star) gồm có N VSAT và một trạm Hub Mỗi trạmVSAT có thể phát tới k sóng mang, tương ứng với các kết nối giữa các đầu cuối gắntới VSAT và tương ứng với những ứng dụng tại máy tính chủ kết nối với trạm Hub.Đây là cấu hình mạng tập trung, nơi tất cả mọi liên lạc đến và đi từ các thiết bị đầucuối đều thông qua bộ phận điều khiển trung tâm Các đường truyền của hầu hết cáctrạm VSAT đều dựa trên kỹ thuật TDM/TDMA và các tuyến thông tin được thiếtlập trong một mạng giữa các trạm VSAT tới trạm Hub.

Các mạng hình sao có thể được sử dụng để triển khai các đường truyền mộtchiều hay hai chiều giữa các trạm Hub và các trạm VSAT từ xa

Các mạng VSAT một chiều được sử dụng rộng rãi cho mục đích phân phối

dữ liệu Một trung tâm dữ liệu được kết nối tới trạm Hub, trạm này sẽ quảng bá cáctín hiệu dữ liệu đến các VSAT Trong hầu hết các trạm Hub hiện nay đang sử dụngtốc độ bít của luồng dữ liệu được phân phối thay đổi từ thấp (dưới 9600 bit/s) đếncao (1,5 Mbit/s hay 2Mbit/s) Trong các trường hợp này, các trạm VSAT từ xathường chỉ được trang bị để thu tín hiệu

Các mạng VSAT hai chiều cung cấp các tuyến thông tin dữ liệu hai chiềugiữa một thiết bị xử lý dữ liệu trung tâm (một hay nhiều máy tính chủ) được kết nốitới các trạm Hub và các thiết bị dữ liệu đầu cuối được kết nối tới trạm VSAT Lúcnày các trạm VSAT được trang bị cả hai mục đích phát/thu

 Một số đặc tính cơ bản của mạng hình sao:

- Khả năng thiết lập đồng thời các tuyến thông tin giữa trạm Hub với cáctrạm VSAT, kể cả một chiều lẫn hai chiều

- Trong trường hợp các mạng hai chiều, hầu hết các ứng dụng chính đều liênquan đến truyền số liệu giữa các VSAT ở xa và trạm Hub Trong mạng hai chiều,tổng lưu lượng từ một trạm Hub đến trạm VSAT (tuyến ra, nhiều kênh) Lưu lượngnày thường bao gồm các cụm tín hiệu dữ liệu, thường được tập hợp dưới dạng cácmạng dữ liệu chuyển mạch gói PSDN

- Các kênh tuyến ra từ trạm Hub đến các trạm VSAT yêu cầu công suất RFtương đối cao từ bộ phát đáp vệ tinh, trong khi đó kênh tuyến vào từ mỗi VSAT tớitrạm Hub chỉ yêu cầu nhỏ (trừ khi nhiễu có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng

5

đường truyền) Cho nên bộ phát đáp vệ tinh nói chung chỉ được sử dụng ở một chế

độ công suất giới hạn, với toàn bộ công suất RF được điều khiển bởi các yêu cầutrên kênh tuyến ra

- Vấn đề kinh tế, mô hình tối ưu của mỗi trạm mặt đất (Hub và VSAT) saocho chi phí (Thiết bị và phần không gian) phải tương xứng với lưu lượng thông tincủa nó

Trong các mạng hình sao, vẫn có thể thiết lập các đường thông tin giữa cácVSAT thông qua trạm Hub, nhưng phải chấp nhận độ trễ truyền vệ tinh lên gấp đôi(khoảng 500ms) Trong trường hợp các đường thông tin dữ liệu, thường vấn đề trễđược giải quyết bằng các cách tính toán độ trễ trong giao thức thông tin Nhữngđường thông tin thoại cũng chấp nhận độ trễ truyền này nếu được trang bị bộ triệtphản hồi chất lượng cao

1.2.3.2 Mạng VSAT hình lưới (MESH):

VSAT C

A to B

B to A

B to C

C to B

C to A

A to C

VSAT

VSATVSAT

Hình 1.4 Mạng hình lưới

Trong mạng VSAT hình lưới (mesh) các kết nối được triển khai trực tiếpgiữa các VSAT ở xa với nhau Tất nhiên một trạm mặt đất trung tâm vẫn có thể cầnthiết cho việc ấn định, kết nối, huỷ kết nối cuộc gọi Tuy nhiên trong suốt thời giancuộc gọi hoạt động của trạm mặt đất trung tâm là không liên tục, và các đườngtruyền trực tiếp đóng vai trò tích cực Đây là lý do tại sao các mạng VSAT hình lướithường được xem như là các mạng VSAT không Hub

Mạng lưới rất lý tưởng cho các yêu cầu đường trung kế điểm-điểm Trạmmặt đất có yêu cầu thông tin cho một trạm khác được kết nối thẳng tới trạm đó bằngcác liên kết đơn kênh trên mỗi sóng mạng SCPC (Signal Channel Per Carrier) hay

đa kênh trên mỗi sóng mang MCPC (Multiple Channel Per Carrier)

Mạng lưới không yêu cầu các trạm VSAT lớn Bất cứ một đầu cuối nàotrong mạng lưới cũng có thể chỉ định là trạm điều khiển và được gắn với hệ thốngđiều khiển mạng Hệ thống bao gồm các bộ xử lý điều khiển mạng và các chứcnăng quản lý mạng như tính cước, ổn định kênh truyền, thống kê và bảo dưỡng

1.3 CÁC ỨNG DỤNG VÀ DỊCH VỤ CỦA HỆ THỐNG VSAT:

1.3.1 Tổng quát về tính ưu-nhược của hệ thống VSAT:

Các hệ thống VSAT thường được sử dụng dưới hình thức tư nhân, một nhómngười sử dụng khép kín, hay các mạng thông tin số trong đó các trạm VSAT từ xađược thiêt lập trực tiếp tại khuôn viên của người sử dụng từ xa

Xét mạng VSAT có những ưu điểm so với các mạng thông tin mặt đất khác:

 Ưu điểm:

- Loại trừ được yếu tố địa hình, khoảng cách

7

- Cung cấp được nhiều loại hình dịch vụ khác nhau, từ cung cấp dịch vụ quảng bá đếndịch vụ viễn thông, internet; từ việc sử dụng làm truyền dẫn cho mạng viễn thông đến sử dụng làmtruyền dẫn cho thiết lập mạng dùng riêng.

- Có tính khả chuyển cao trong thay đổi loại hình dịch vụ cung cấp và cấu hình mạng

- Có chất lượng truyền dẫn tốt ( tỷ lệ lỗi bít < 10-7

1.3.2 Các ứng dụng trong thông tin một chiều:

 Phân phối dữ liệu và phân phối tín hiệu Video:

Ứng dụng phân phối dữ liệu (truyền thông dữ liệu) là ứng dụng phổ biếnnhất của thông tin một chiều, tức là phân phối thông tin dưới dạng tín hiệu số từHub tới tất cả các thuê bao hoặc một số các giới hạn trong thuê bao (như: tin tức,thông cáo báo chí, thông tin thời tiết, truyền hình giải trí )

8

Việc phân phối tín hiệu Video tới các trạm VSAT có thể thực hiện dưới haihình thức chính:

- Dùng VSAT thu các tín hiệu Video (hoặc truyền hình) ở tốc độ bít thấp (1.5hay 2.4Mbit/s), tức là hoạt động theo chế độ bình thường

- Thu các tín hiệu số hay tín hiệu TV/FM truyền thống (analog), dưới dạngchức năng phụ trợ của VSAT Chức năng thường được thực hiện thông qua mộtcổng ra phụ ở khối chuyển đổi nhiễu thấp (LNC: Low noise Convertor)

 Thu nhập dữ liệu:

Các VSAT một chiều có thể sử dụng ở hướng ngược lại từ trạm VSAT đếncác Hub cho mục đích thu nhập dữ liệu Nghĩa là truyền dữ liệu tự động thông quaVSAT từ các bộ cảm biến từ xa Các ứng dụng phổ biến là giám sát khí tượng haymôi trường, giám sát mạng truyền tải điện tự động…

1.3.3 Các ứng dụng trong thông tin hai chiều:

 Truyền dữ liệu:

Thông tin vệ tinh VSAT hai chiều bổ sung thêm cho các dịch vụ thông tinmột chiều ở trên, các dịch vụ thông tin VSAT hai chiều mang lại một phạm vi ứngdụng gần như không giới hạn

Đối với truyền dữ liệu, các mạng VSAT thương mại ngày càng sử dụng phổbiến cho rất nhiều hình thức truyền dữ liệu khác nhau, đặc biệt là với truyền dữ liệuhai chiều Điều này làm cho tính linh động của mạng tăng lên rất nhiều và đặc biệt

là đối với kiểu truyền dữ liệu và file theo phương pháp tương hổ hoặc theo kiểuluân phiên hỏi đáp Trong thực tế các mạng VSAT hoạt động tương tự như “Mạng

9

dữ liệu chuyển mạch gói (PSDN: Packet Switched Data Network )” Các ứngdụng điển hình của mạng như: chuyển đổi truyền trọn gói các file dữ liệu quản lýtrong kinh doanh từ các chi nhánh về trung tâm xử lý dữ liệu, thu thập dữ liệu vàđặc biệt cung cấp dịch vụ điều khiển và giám sát dữ liệu theo yêu cầu (SCADA:Supervisory Control And Data), các dịch vụ thư điện tử, xử lý từ xa các VSAT cóthể truy cập vào một máy tính chủ thông qua Hub.

 Video hội nghị:

Đối với truyền Video hội nghị, theo sự phát triển kỹ thuật nén hình ảnh số,các bộ mã hoá và giải mã (coder) video tốc độ bít thấp đã tạo điều khiển cho việcthực thi hình thức video hội nghị phục vụ cho các hoạt động kinh doanh với mụcđích tiết kiệm chi phí và thời gian đi lại

1.4 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT CỦA VSAT:

1.4.1 Tổng quan về các kiểu VSAT:

khái niệm: cấu hình kết hợp cả mạng sao và mạng lưới (Star-Mesh) của mạngVSAT

- Mạng hình sao: Gồm một trạm mặt đất trung tâm gọi là Hub, được trang bịmột anten tương đối lớn và một trạm mặt đất từ xa được trang bị anten cỡ nhỏ Mọiđường thông tin giữa các trạm VSAT từ xa đều thông qua Hub

Luồng thông tin từ Hub tới VSAT được thực hiện trên kênh tuyến ra(outbound), còn luồng thông tin giữa VSAT tới Hub được thực hiện trên kênh tuyếnvào (inbound) Các chế độ thông tin trên các kênh tuyến ra được phân phối đồngthời từ Hub tới các VSAT Trong khi các kênh tuyến vào yêu cầu được phúc đápriêng lẻ được thiêt lập từ mỗi một trạm VSAT từ xa tới Hub

10

Hình1.5 Ứng dụng kết hợp mạng VSAT và WLL

Phần lớn các đặc điểm áp dụng cho thông tin hai chiều (các VSAT thu/phát).Tuy nhiên cũng có thể áp dụng được trong ứng dụng của mạng thông tin VSAT mộtchiều.

1.4.2 Kỹ thuật trải phổ trong mạng VSAT:

Do VSAT là mạng thương mại tư nhân, các anten trạm mặt đất có kích thướcnhỏ nên phải dùng kỹ thuật đa truy cập và điều chế trải phổ Bởi đây là phươngpháp duy nhất có thể hạn chế đến mức tối thiểu ảnh hưởng can nhiễu từ hệ thống

RF khác (do đây là loại anten nhỏ mà chịu một tải lớn trên băng tần) Trong kỹthuật trải phổ độ rộng của băng tần tín hiệu được tăng lên, thường thì thông qua mãhoá thông tin với một chuổi tín hiệu giả ngẫu nhiên Với công suất cho trước, nólàm giảm đi đáng kể mật độ công suất Ở đầu thu, tín hiệu ban đầu được khôi phụclại bằng cách tương quan các bit với chuổi gốc

Đối với mạng thông tin VSAT hai chiều sử dụng phương pháp đa truy cậptrải phổ (thường sử dụng đa tuy cập phân chia theo mã: CDMA) dùng trong cáckênh phát tuyến vào

Mặc dù các hệ thống VSAT sử dụng kỹ thuật trải phổ có khả năng thích ứngtốt với băng tần 6/4Ghz nhạy với nhiễu Nhưng ưu điểm này tỏ ra không quan trọngkhi các bộ phát đáp vệ tinh VSAT sử dụng băng tần 14/10-12Ghz

1.4.2.1 Các VSAT sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số FDMA:

Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) là phương pháp đa truy cập phổbiến nhất dùng để thiêt lập các đường truyền vệ tinh điểm đối điểm Khi các sóngmang được đưa vào sử dụng thì các mạng điểm đối đa điểm được thiêt lập Nếu cácđặc tính của vệ tinh đặc biệt là thông số EIRP cho phép sử dụng các trạm mặt đấtthu-phát cỡ nhỏ trong việc triển khai các đường truyền và các mạng như vậy, thì cóthể gọi chúng là các mạng, các trạm mặt đất VSAT-FDMA Chú ý, nếu có yêu cầuthì cần phải đảm bảo các đường thông tin trực tiếp liên kết giữa tất cả các trạm mặtđất và không cần đến một trạm trung tâm, ngoại trừ trường hợp mạng cần đến giámsát và điều khiển (C&M)

11

1.4.2.2 Các VSAT sử dụng kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian TDMA:

TDMA là phương pháp đa truy cập phân chia theo thời gian, TDMA thường

đi kèm với ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM), là phương pháp đa truy cậphoàn toàn bằng kỹ thuật số rất hiệu quả cho việc thiêt lập các mạng có cấu hìnhđiểm đối điểm, điểm đối đa điểm và cấu hình mạng lưới (Mesh)

Tuy nhiên, TDMA ở dạng TDMA băng thông hẹp có thể là sự lựa chọn thíchhợp nhất đối với các mạng thông tin có dung lượng vừa (dưới 40Mbit/s) Nếu cácđặc tính của vệ tinh đặc biệt là thông số EIRP cho phép sử dụng các trạm mặt đấtthu-phát cỡ nhỏ trong việc triển khai các đường truyền và các mạng như vậy, thì cóthể gọi chúng là các mạng VSAT-TDMA Chú ý rằng cần phải có một trạm trungtâm ít nhất là để cung cấp các tín hiệu đồng bộ chuẩn Nhưng cũng cần chú ý rằngcác kênh thông tin trực tiếp cũng có thể được thiết lập giữa tất cả các trạm mặt đất

1.4.2.3 Các VSAT sử dụng kỹ thuật TDM/TDMA:

Phần lớn các mạng VSAT hiện nay sử dụng kết hợp cả hai kỹ thuật TDM vàTDMA, và hoạt động trong cấu trúc hình sao Chi tiết của các hệ thống và mạngVSAT sử dụng TDM/TDMA chi tiết như sau:

 Các chế độ ghép kênh và truy cập của hệ thống VSAT TDM/TDMA:

Trong các VSAT sử dụng kỹ thuật TDM/TDMA, một tuyến ra liên tụckhông sử dụng TDMA được tải bởi một sóng mang TDM (256 hoặc 512Kbit/s)phát đi từ một Hub, trong khi các kênh tuyến vào xuất phát từ sóng mang ra nàyđược phát đi bởi các sóng mang TDMA có tốc độ bit thấp hơn (băng hẹp 64 hoặc128Kbit) mỗi sóng mang tuyến vào sẽ chiếm một khoảng thời gian được phân chiagiữa một số trạm VSAT (có thể lên tới 31 khe thời gian) Trong trường hợp nhiềutrạm VSAT hơn thì các sóng mang TDMA ghép kênh sẽ được sử dụng Cũng tương

tự như các kênh sóng mang tuyến ra TDM, nó cũng dựa trên kỹ thuật FDMA Hệthống TDM/TDMA hình sao này và sự chiếm dụng của các bộ phát đáp vệ tinh nhưhình

12