Đặc điểm truyền sóng trong thông tin vệ tinh

Chương I TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Xã hội phát triển nhu cầu người mặt đời sống ngày cao Để đáp ứng mục đích đáng thiết thực công nghệ nhiều lĩnh vực đời Các loại thông tin sóng vệ tinh bước sâu vào đời sống chúng ta, cảm nhận điều Thông tin chia làm hai loại thông tin truyền qua cáp đồng trục cáp sợi quang thông tin Vệ tinh sử dụng sóng vô tuyến điện để nối nhiều nơi giới Mặc dù hai loại thông tin cáp Vệ tinh có tính đặc biệt khác phát triển tách biệt chúng cạnh tranh với mức độ Trọng tâm đề tài mà em trình bày thông tin Vệ tinh mà đặc biệt sâu đặc điểm kênh truyền thông tin Vệ tinh Điều đáng ý thông tin Vệ tinh đời muộn so với loại thông tin khác phát triển nhanh chóng đạt thành tựu lớn việc giúp người có nhìn sâu sắc giới xung quanh Thực tế cho thấy kể từ năm 1957 đến có hàng trăm Vệ tinh viễn thông bầu trời phục vụ nhiều dịch vụ viễn thông khác hứa hẹn phát triển cung cấp thêm nhiều tiện ích cho lĩnh vực sống Để trì vị trí mình, thông tin Vệ tinh sở hữu nhiều ưu sau: 1.1.1 Ưu điểm thông tin Vệ tinh *Vùng phủ sóng Vệ tinh rộng, cần ba Vệ tinh địa tĩnh phủ sóng toàn cầu Sóng vô tuyến điện phát từ Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh bao phủ 1/3 toàn bề mặt trái đất Bởi vậy, trạm mặt đất vùng thông tin trực tiếp với trạm mặt đất khác vùng qua Vệ tinh thông tin Hình 1.1- Ba vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh phủ sóng toàn cầu *Thiết bị phát sóng dùng hệ thống truyền tin Vệ tinh cần công suất nhỏ Do thông tin Vệ tinh bị suy hao gặp chướng ngại vật như: nhà cao tầng, sông, núi,… đường thông tin mặt đất *Việc lắp đặt di chuyển thành phần hệ thống truyền tin Vệ tinh đặt mặt đất tương đối nhanh chóng, dễ dàng không phụ thuộc vào cấu hình mạng hệ thống truyền dẫn *Các thiết bị điện tử đặt Vệ tinh tận dụng nguồn lượng mặt trời để cung cấp hoạt động ngày lẫn đêm *Hệ thống truyền tin Vệ tinh phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau: thoại phi thoại, thăm dò địa chất, định vị toàn cầu, quan sát mục tiêu, thăm dò, dự báo khí tượng, phục vụ mục đích quốc phòng, an ninh, dân sự… *Thông tin Vệ tinh ổn định Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất lúc phương tiện truyền thông khác hoạt động trì có hệ thống thông tin Vệ tinh hoạt động để cung cấp thông tin cần thiết cho người 1.1.2 Nhược điểm thông tin Vệ tinh Tuy thông tin Vệ tinh có nhiều lợi hệ thống thông tin tồn số nhược điểm hệ thống thông tin Vệ tinh *Kinh phí ban đầu để phóng Vệ tinh vào quỹ đạo lớn công nghệ phóng việc sản xuất thiết bị quốc gia thực *Cường độ trường điểm thu mặt đất phụ thuộc vào khoảng cách truyền sóng góc phương vị anten thu - phát Nói cách khác cường độ trường điểm thu mặt đất phụ thuộc vào tọa độ Vệ tinh so với vùng phủ sóng *Tín hiệu tuyến lên tuyến xuống hệ thống thông tin Vệ tinh phải chịu lượng trễ lớn 1/4 giây để hết đường lên đường xuống tốc độ truyền cao 300.000 km/s Vệ tinh địa tĩnh, trình xử lý phải tính toán đến *Sóng vô tuyến điện sử dụng thông tin Vệ tinh cần phải xuyên qua tầng điện ly khí bao quanh trái đất, sóng vô tuyến điện với tần số cao bị hấp thụ bị suy hao khác khí Nếu muốn dùng anten bé, trọng lượng thiết bị nhẹ tổn hao vào giá thành tăng Qua nghiên cứu tính toán, người ta đưa đặc tuyến biểu thị mối liên quan suy hao sóng vô tuyến điện khí với tần số sau: Hệ số suy hao (dB/Km) O2 20 (b) 10 5,0 (a) Cửa sổ vô tuyến (c) 3,0 Thăng giáng điện ly Suy hao mưa Các chất khí khí Thăng giáng tầng đối lưu 1,0 0,5 H2O (d) 0,3 0,1 0,3 0,5 10 20 50 Tần số (Ghz) Hình 1.1 Suy hao sóng vô tuyến điện khí trái đất +Khoảng tần số suy hao nhỏ từ (1÷10)GHz gọi cửa sổ tần số +Khoảng tần số sử dụng nhiều thông tin Vệ tinh từ (4÷6)GHz băng C nằm cửa sổ tần số +Dải tần từ (11÷14)GHz băng Ku bị hấp thụ lớn mưa thường xuyên sử dụng thiếu băng tần sử dụng *Nhận xét: Nhìn vào đặc tuyến ta rút kết luận sau: -Đường (a): Sự thăng giáng tín hiệu tầng điện ly lớn tần số thấp, nhỏ > GHz -Đường (b): Sự suy hao sóng mưa cao số cao, nhỏ < 10 GHz -Đường (c): Ảnh hưởng chất khí khí phụ thuộc vào tần số dùng, ảnh hưởng nhỏ tần số xấp xỉ 10 GHz -Đường (d): Thăng giáng tín hiệu tầng đối lưu tăng số cao 1.2 CẤU TRÚC TỔNG QUÁT MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH Một hệ thống thông tin Vệ tinh bao gồm hai phân đoạn: +Phân đoạn không gian (space segment) +Phân đoạn mặt đất (ground segment) Phân đoạn không gian Vệ tinh Trạm điều khiển Tuyến lên Tuyến xuống Vệ tinh Thiết bị phát Thiết bị thu (trạm mặt đất) (trạm mặt đất) Phân đoạn mặt đất Hình 1.2: Mô tả cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin Vệ tinh 1.2.1 Phân đoạn không gian Phân đoạn không gian hệ thống thông tin Vệ tinh bao gồm: Vệ tinh thiết bị đặt Vệ tinh hệ thống trang thiết bị đặt mặt đất để kiểm tra theo dõi điều khiển hành trình Vệ tinh 1.2.1.1 Vệ tinh a, Cấu trúc: Bản thân Vệ tinh bao gồm hai phần: +Phần tải (payload): bao gồn hệ thống anten thu/phát tất thiết bị điện tử phục vụ cho việc truyền dẫn xử lý tín hiệu qua Vệ tinh *Các phát đáp (transponder) đặt Vệ tinh thu tín hiệu từ tuyến lên, biến đổi tần số, khuếch đại công suất truyền trở lại theo tuyến xuống Tín hiệu từ tuyến lên Bộ chuyển đổi xuống Bộ lọc Bộ khuếch đại thông thấp tạp âm thấp BPF LNA Anten thu 6GHz LO Bộ khuếch đại Bộ lọc công suất đèn Tuyến thông thấp sóng chạy xuống BPF TWTA Anten phát 4GHz Bộ dao động nội Hình 1.3: Sơ đồ khối chức phát đáp đơn giản -Nhiêm vụ: Bộ phát đáp nhiệm vụ giải điều chế xử lý tín hiệu thu Nó đóng vai trò chuyển đổi xuống, có hệ số khuếch đại lớn -Cấu trúc: Bộ khuếch đại công suất thường dùng loại khuếch đại đèn sóng chạy TWT (Travelling Wave Tube Amplifier) khuếch đại dùng bán dẫn SSPA (Solid State Power Amplifier) Vì đèn TWT cho công suất lớn, kích thước trung bình, gọn băng tần rộng vài trăm MHz phủ sóng tất băng tần phân định truyền dẫn, điều có lợi cho việc sử dụng nhiều sóng mang Công suất bão hòa đầu TWTA thường từ 20W ÷ 40W Trong Vệ tinh loại trang bị phát đáp có đa chùm tia (multi beam satellite transponder) phát đáp tái sinh -Băng tần: Băng tần phân bổ cho phát đáp Vệ tinh từ vài trăm MHz đến vài chục GHz Băng tần thường chia thành băng tần Hầu hết phát đáp thường thiết kế với dải thông 36 MHz; 54 MHz/ 72 MHz, dải thông 36 MHz chuẩn dùng phổ biến cho dịch vụ truyền hình băng C (6/4 GHz) Hiện số loại phát đáp có xử lý tín hiệu đưa vào sử dụng cải thiện chất lượng tín hiệu *Các anten thu phát Vệ tinh: Kích thước trọng lượng anten thu/phát phát đáp bị hạn chế thường có kích thước nhỏ nên độ tăng ích anten Vệ tinh có giới hạn *Các thông số kỹ thuật phần tải Vệ tinh viễn thông: -Dải tần công tác -Số lượng phát đáp -Độ rộng dải thông phát đáp -Phân cực sóng tuyến lên tuyến xuống -Công suất xạ đẳng hướng (EIRP: Equivalent Isotropic Radiated Power) mật độ thông lượng công suất tạo biên vùng phủ sóng phục vụ -Mật độ thông lượng công suất bão hòa anten thu Vệ tinh (SPD: Saturated Power Density) -Hệ số phẩm chất (G/T) máy thu Vệ tinh biên vùng phủ sóng/ giá trị cực đại -Vùng phủ sóng yêu cầu -Công suất đầu khuếch đại công suất phát -Cấu hình dự phòng cho máy thu khuếch đại công suất phát +Phần thân (platform): bao gồm hệ thống phục vụ cho phần tải Vệ tinh hoạt động (vỏ khung Vệ tinh, nguồn cung cấp điện, hệ thống điều khiển nhiệt độ, điều khiển hướng chuyển động quỹ đạo, bám, đo đạc…) b, Chức năng: Vệ tinh đóng vai trò trạm trung chuyển tín hiệu trạm mặt đất xem điểm nút mạng, có chức sau: +Khuếch đại sóng mang thu từ tuyến lên để sử dụng cho việc truyền lại tuyến xuống Công suất đầu vào hệ thống Vệ tinh có yêu cầu từ 100 pW ÷ nW, công suất đầu khuếch đại công suất phát tuyến xuống có yêu cầu từ 10 W ÷ 100 W Như độ tăng ích anten phát đáp Vệ tinh có yêu cầu từ 100 dB ÷ 130 dB Năng lượng sóng mang băng tần xạ đến vùng phủ sóng bề mặt trái đất +Thay đổi tần số sóng mang (giữa phát thu ) nhằm tránh phần công suất phát tác động trở lại phía đầu vào đầu thu Khả lọc lọc đầu vào tần số sóng mang tuyến xuống, có tính đến độ tăng ích thấp anten, cần đảm bảo cách biệt khoảng 150 dB 1.2.2 Phân đoạn mặt đất Phân đoạn mặt đất bao gồm tất trạm mặt đất hệ thống chúng thường kết nối với thiết bị người sử dụng thông qua mạng mặt đất trường hợp sử dụng trạm VSAT (Very Small Aperture Terminal: Thiết bị đầu cuối có độ nhỏ), hệ thống thông tin di động Vệ tinh S-PCN (Satellite- Personal Communication Network: Mạng thông tin cá nhân Vệ tinh) Vệ tinh liên lạc trực tiếp với thiết bị đầu cuối người sử dụng Các trạm mặt đất phân loại tùy thuộc vào kích cỡ trạm loại dịch vụ Có thể có trạm mặt đất vừa thu vừa phát sóng có loại trạm mặt đất làm nhiệm vụ thu sóng Nói chung trạm mặt đất bao gồm: Thiết bị thông tin, thiết bị truyền dẫn mặt đất, thiết bị cung cấp nguồn nhà điều khiển Thiết bị thông tin gồm có anten, máy công suất cao, máy thu tạp âm thấp thiết bị đa truy nhập/ điều chế giải điều chế Thiết bị anten bám Thiết bị bám Máy thu tạp âm thấp LNA Bộ đổi tần xuống Bộ khuếch đại IF Thiết bị đa truy nhập điều chế giải điều chế Bộ giải điều chế Bộ dao động Hệ thống fidơ Thiết bị đa truy nhập Bộ dao động HPA Bộ đổi tần lên Bộ khuếch đại IF Bộ điều chế Máy phát công suất lớn Hình 1.4: Cấu hình trạm mặt đất Một tín hiệu gửi từ thiết bị truyền dẫn mặt đất ( gồm ghép kênh v,v…) điều chế thông qua thiết bị đa truy nhập, điều chế giải điều chế; tần số tín hiệu đầu (ở tần số trung tần) biến đổi sóng phát đổi tần đường lên Công suất tín hiệu khuếch đại đến mức yêu cầu nhờ khuếch đại công suất cao, tín hiệu đầu xạ đến Vệ tinh Trong trường hợp thu, anten trạm mặt đất thu tín hiệu từ Vệ tinh, sau máy thu tạp âm thấp khuếch đại đưa đến đổi tần đường xuống biến đổi tần số trung tần Sau đưa đến thiết bị thông tin mặt đất thông qua thiết bị đa truy nhập điều chế giải điều chế 1.3 MỘT SỐ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH ĐIỂN HÌNH 1.3.1 Hệ thống thông tin Vệ tinh địa tĩnh 1.3.1.1 Đặc tính hệ thống thông tin Vệ tinh địa tĩnh +Quỹ đạo địa tĩnh dạng quỹ đạo địa đồng bộ, có chu kỳ quỹ đạo 23 56 phút 4,1 giây Chu kỳ thời gian gọi ngày thiên văn thời gian thực mà trái đất quay vòng quanh trục Như Vệ tinh địa tĩnh xem đứng yên tương đối so với điểm trái đất Quỹ đạo vệ tinh địa tĩnh tròn nằm mặt phẳng xích đạo +Ngoại trừ vùng cực, với ba Vệ tinh địa tĩnh phủ sóng toàn cầu Quỹ đạo Vệ tinh địa tĩnh có dạng hình tròn, nằm mặt phẳng xích đạo có độ cao so với mặt đất khoảng 35 786 km +Hệ thống thông tin Vệ tinh địa tĩnh có nhiều ưu việt việc cung cấp dịch vụ truyền tin quảng bá cố định +Thời gian trễ truyền dẫn bước nhảy đơn khoảng 250 đến 280 ms tính trình xử lý đệm đến 300 ms Điều đòi hỏi phải sử dụng số kiểu triệt hồi âm truyền tin thoại Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) quy định độ trễ cực đại cho thông tin điện thoại 400 ms cho bước nhảy đơn thông tin Vệ tinh địa tĩnh Đối với thông tin Vệ tinh di động cần liên lạc trực tiếp hai máy di động mà không sử dụng bước nhảy kép cần xử lý riêng đặt phía Vệ tinh với chức giám sát gọi đặt phân đoạn mặt đất +Việc phủ sóng liên tục theo vùng theo lục địa thực với Vệ tinh đơn nhiều trường hợp sử dụng Vệ tinh thứ làm dự trữ để đảm bảo liên lạc trường hợp Vệ tinh thứ có cố Hiện có số hệ thống thông tin Vệ tinh di động sử dụng chùm Vệ tinh địa tĩnh để phục vụ cho dịch vụ di động toàn cầu theo vùng lục địa Hệ thống Vệ tinh địa tĩnh bao gồm: hệ thống INM, hệ thống thông tin Vệ tinh EUTELSAT, hệ thống thông tin Vệ tinh tế bào châu Á, THURAY Sau ta tìm hiểu cụ thể hệ thống Vệ tinh trên: 1.3.1.2 Hệ thống thông tin Vệ tinh INM a, Giới thiệu chung: Hệ thống thông tin Vệ tinh địa tĩnh INM, xây dựng năm 1979 với mục đích ban đầu phục vụ cho công tác Hàng hải quốc tế (quản lý tàu biển cứu nạn) Năm 1982, hệ thống mở rộng sang dịch vụ thương mại mà tiếp sau cá dịch vụ truyền thông khác b, Hệ thống INM có ba lĩnh vực phân chia phục vụ cho Vệ tinh địa tĩnh sau đây: -Các Vệ tinh phủ sóng phục vụ vùng Đông Đại Tây Dương (AOR-E) Tây Đại Tây Dương (AOR-W), Thái Bình Dương (POR) Ấn Độ Dương (IOR) -Hệ thống trạm mặt đất (LES) cung cấp kết nối với mạng mặt đất Hiện INM có 40 trạm chủ mặt đất phân chia theo vùng địa lý kết nối với mạng mặt đất -Các trạm mặt đất di động phục vụ người sử dụng có khả liên lạc thông qua Vệ tinh c, Các giai đoạn phát triển dịch vụ mà INM cung cấp: *INM-A: Được đưa vào sử dụng năm 1982 Các thiết bị đầu cuối hệ thống không sản xuất *INM-B: Được đưa vào dịch vụ năm 1993, cung cấp dịch vụ: thoại, fax, truyền liệu Các kênh phân định cách sử dụng kênh BPSK TDM Hệ thống INM-B hoạt động băng tần (1626,5-1646,5)MHz cho chế độ phát băng tần (1525-1545)MHz cho chế độ thu Tín hiệu thoại tạo khoảng 16 Kbit/s sử dụng mã hóa dự đoán thích nghi APC (Adaptive Predictive Coding) sau sử dụng mã chập tốc độ ¾ để tăng tốc độ kênh lên đến 24 Kbit/s Tín hiệu điều chế dạng offset-QPSK (QPSK bù) Dữ liệu truyền tốc độ nằm khoảng 2,4 đến 9,6 Kbit/s fax truyền tốc độ lên đến 9,6 Kbit/s sử dụng điều chế bù offset-QPSK Các dịch vụ liệu tốc độ cao (HSD) INM-B cung cấp truyền tin số tốc độ 64 Kbit/s cho người sử dụng mặt đất biển kết nối với mạng ISDN thông qua trạm chủ mặt đất LES Một thiết bị đầu cuối cần có kênh để thiết lập gọi cách truyền tín hiệu điều chế QPSK bù đắp 24 Kbit/s sử dụng giao thức ALOHA *INM-C: Cung cấp dịch vụ chủ yếu truyền liệu Truyền liệu tốc độ thấp khoảng 600 bit/s, hệ thống sử dụng mã chập tốc độ 1/2 , chiều dài cố định để truyền với tốc độ 1200 bit/s Tín hiệu phát sử dụng điều chế BPSK dải tần L, f = 2,5 KHz Các thiết bị đầu cuối gọn, nhẹ sử dụng anten vô hướng Kênh sử dụng điều chế ALOHA BPSK khoảng 600 bit/s *INM-M đưa vào dịch vụ thương mại từ tháng 12/ 1992 Cung cấp dịch vụ: điện thoại, fax, dịch vụ liệu Hệ thống cung cấp dịch vụ điện thoại 4,8 Kbit/s, sử dụng mã hóa kích thích đa băng tần cải tiến (IMBE) mã chập tốc độ ¾ để tăng tốc độ truyền dẫn lên đến K bit/s Ngoài máy fax 24 Kbit/s dịch vụ liệu (1,2-2,4)Kbit/s dự phòng Kênh sử dụng tín hiệu điều chế BPSK ALOHA chia khe khoảng Kbit/s Các kênh phân định theo tín hiệu điều chế TDM BPSK Hệ thống INM-M hàng hải hoạt động dải tần phát 10 +Hệ số tạp âm máy thu F = 2,2 dB +Tổn hao anten thu máy thu LFRx = 0,5 dB +Nhiệt độ động nhiệt kết nối TF = 290 K +Đường kính anten parapol thu D = m +Hiệu suất anten η = 0,6 +Độ không phẳng hàng (anten phát thu ) lớn α T = 0,1 +Nhiệt độ tạp âm mặt đất TG = 45 K b, Tính toán: *EIRP Vệ tinh:  PTx GTmax  LT LTFx ( EIRP ) SL =      (W) Với: PTx = 10 W = 10 dB 2 GTmax  π 70   πD  π 70    = 0,55  = η   = η   = 6650 = 38,2 dB    λD   θ 3dB  LTFx = dB LT = dB Do có: ( EIRP ) SL = 10 dBW + 38,2 dB – dB – dB = 44,2 dBW *Tính toán tổn hao tuyến xuống: LD = LFS + LA Với : 2  4πR  4πRf D   =  LFS =   = 4,04 1020 = 206,1 dB λ c     LA = 0,3 dB 47 Do có: LD = 206,1 dB + 0,3 dB= 206,4 dB G trạm mặt đất: T *Tính toán tỷ số  G Rmax G   =   T  ES  LR LFRx LPOL   T  / [ A + TT 1 −  L FRx  LFRx    + TR ] (K-1)  Với: G Rmax 2  πD   π 4.12.10   πDf D    = 151,597 = 51,8 dB = η   = η  = 0,6   c   3.10   λD  α LR (dB) = 12  R  θ 3dB 2  α Df  = 12  R D  = 0,6 dB  70c   LFRx = 0,3 dB LPOL = dB TA = Tsky + Tground với Tsky = 20 K Tground = 45 K Từ có : TA = 20 K + 45K = 65 K TT = 290 K TR = ( F − 1)T = (10 0, 22 − 1) 290 = 191,3 K Từ tính được:  65   G    = 51,8 – 0,6 – 0,3 – 10lg  0, 03 + 2901 − 0, 03  + 19,3 = 26 dBK-1  T  ES  10  10  Tính toán tỷ số C tuyến xuống: N0  C     = ( EIRP ) SL   LD  N0 D  G        (Hz)  T  ES  K  Thay giá trị vào ta có: 48  C    = 44,2 dBW – 206,4 dB + 26,2 dBK-1 + 228,6 dBW/HzK = 92,6 dBHz  N0 D GTmax/LT GRmax/LR Vệ tinh - SL T x LFTX PTX LFTX L = LFSLA PT PR PRX R x 44,2 dBW 10 dBW + 35,2 dB dB dBW -206 dB -111dBW CD=PRX +51,2dB -115 dBW -162,2 dBW NoD= -204,1 dBW/Hz (C/No)D= -92,6dBHz Hình 3.9 Mô tả mức công suất tín hiệu tuyến xuống theo ví dụ tính toán 49 Chương IV MÔ HÌNH KÊNH TRONG THÔNG TIN VỆ TINH DI ĐỘNG Từ khái niệm kênh truyền thông tin Vệ tinh mà ta trình bày phần trước, kênh truyền thông tin Vệ tinh trạm mặt đất trạm mặt đất qua Vệ tinh – hệ thống liên lạc trường hợp xem cố định Trong trường hợp thiết bị đầu cuối di động mặt đất, hệ thống gọi hệ thống thông tin di động Vệ tinh (hệ thống thông tin Vệ tinh đến cá nhân thuê bao – S-PCN), đặc tính kênh truyền cần phải xem xét phần mặt đất Các trạm mặt đất cố định cổng thường, chọn đặt vị trí tối ưu vừa đảm bảo phủ sóng vừa đảm bảo nhìn thấy Vệ tinh thời điểm giảm tối thiểu hiệu ứng bất lợi môi trường truyền sóng Trong lúc đó, thiết bị đầu cuối di động thường làm việc điều kiện mà thông số môi trường truyền sóng biến đổi Điều tác động lớn đến dịch vụ hệ thống Trong thực tế, có nhiều loại thiết bị di động mặt đất, hàng không, hàng hải, v v…, việc phân tích kênh truyền phụ thuộc vào điều kiện cụ thể Thực tế, anten sử dụng thông tin Vệ tinh cố định (Vệ tinh – trạm mặt đất) anten có hướng tính cao có đường kính lớn anten parabol, thông tin cố định nên khả quay bám khả phát xạ tốt Cho nên, công suất xạ anten thông tin Vệ tinh cố định cao Còn, thông tin Vệ tinh di động thông tin Vệ tinh di động cá nhân, thiết bị đầu cuối thiết bị cầm tay,…, đặc điểm bật thông tin kích thước thiết bị nhỏ, anten nhỏ Mặt khác, thiết bị đầu cuối luôn phải di chuyển nên khả điều khiển bám Vệ tinh để đảm bảo thông tin tốt khó Nếu khắc phục nhược điểm đó, ta thay thể thiết bị thiết bị có anten có hướng tính cao khả bám tốt, ta phải đánh đổi phương pháp điều khiển anten phải phức tạp Một yếu tố kể đến thông tin Vệ tinh di động có tác động không nhỏ đến chất lượng thông tin tượng đa đường Hiện tượng bắt nguồn từ thực tế sống, đô thị, chướng ngại vật, nhà cao tầng, núi,…., dẫn đến kết thông tin đến anten có đường Điều chứng tỏ thời gian mà tín hiệu đến phía thu không lúc mà thời điểm khác nhau, hình thành nên tượng trải trễ thông tin Vệ tinh di động Hiện tượng ảnh hưởng vô lớn đến chất lượng thông tin 50 Sau ta trình bày đặc điểm kênh truyền mặt đất hệ thống thông tin di động Vệ tinh 4.1 ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH DI ĐỘNG VÀ PHÂN VÙNG NGHIÊN CỨU Từ lý thuyết truyền sóng biết rằng, tín hiệu thu máy di động mặt đất từ Vệ tinh truyền vệ tổng hợp ba thành phần: sóng trực tiếp (LOS), sóng tán xạ sóng phản xạ từ mặt đất Đối với dải tần L dải tần S suy hao thành phần sóng trực tiếp chủ yếu tổn hao sóng không gian tự bị che khuất Các hiệu ứng tầng đối lưu có tác động không đáng kể sóng có tần số 10 GHz Đối với hệ thống làm việc với tần số 10 GHz cần phải tính đến suy hao tầng đối lưu điều quan hệ với đặc tính kênh truyền tuyến cố định Hiệu ứng che khuất xuất có chướng ngại vật, ví dụ: cối, nhà cửa che chắn tầm nhìn thấy đến Vệ tinh làm suy giảm tín hiệu thu *Thành phần tán xạ bao gồm tín hiệu đa đường phản xạ từ vật thể xung quanh; ví dụ: nhà cửa, cối chướng ngại khác Khác với mạng di động mặt đất, tuyến đường truyền thông tin Vệ tinh di động, nhiều trường hợp môi trường cụ thể, hiệu ứng đa đường thứ yếu, không quan trọng *Thành phần phản chiếu từ mặt đất việc thu sóng tín hiệu phản xạ từ mặt đất vùng gần xung quanh thiết bị di động Trong trường hợp đó, anten có độ tăng ích nhỏ, độ rộng búp sóng lớn làm việc với Vệ tinh với góc ngẩng nhỏ, dạng suy hao lớn Ví dụ máy di động cầm tay làm việc với Vệ tinh không địa tĩnh Trong thực tế kỹ thuật, môi trường truyền thường phân làm ba dạng sau đây: +Vùng thành phố, nơi sóng trực tiếp bị che khuất +Vùng nông thôn, nơi sóng trực tiếp không bị che khuất +Vùng ngoại ô thành phố vùng bị che khuất cối, nơi mà sóng trực tiếp có phần bị che khuất (hiện tượng bong râm) Trong vùng thành phố, việc nhìn thấy Vệ tinh thường khó khăn, việc thu chủ yếu tín hiệu đa đường Như vậy, thiết bị di động, tín hiệu thu có biên độ góc pha ngẫu nhiên Trong trường hợp việc sử dụng chùm Vệ tinh với phân bố Vệ tinh thích hợp hạn chế hiệu ứng che khuất 51 Giới hạn suy hao công suất phát cần tính toán để bù hiệu ứng pha đinh máy thu làm việc mức ngưỡng đáp ứng mức tín hiệu thu tối thiểu thỏa mãn yêu cầu hiệu tuyến Giá trị mức ngưỡng xác định dự trữ tuyến (link budget) Môi trường truyền thành phố có yêu cầu nghiêm ngặt mạng thông tin di động Vệ tinh Trong trường hợp anten góc ngẩng anten thu cần xem xét cẩn thận Ở vùng nông thôn tia trực tiếp đến Vệ tinh nhận mức độ cao hơn, suy hao chủ yếu hiệu ứng đa đường Hiệu ứng đa đường cộng pha trừ pha với sóng trực tiếp gây nên tượng thăng giáng công suất tín hiệu thu Các môi trường bị che khuất cối gây nên suy hao ngẫu nhiên cường độ trường sóng trực tiếp Độ suy hao phụ thuộc vào địa hình cụ thể Suy giảm cường độ trường vùng ngoại ô thành phố chủ yếu che khuất tòa nhà cao tầng vật chướng ngại khác Cường độ trường thu thiết bị di động chuyển động qua vùng ngoại ô thành phố thường bị biến đổi liên tục biên độ tổng hợp pha tín hiệu 4.2 CÁC MÔ HÌNH KÊNH TRUYỀN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH DI ĐỘNG Đã có nhiều công trình nghiên cứu, tính toán xây dựng sở thực nghiệm tín hiệu đa đường môi trường truyền khác nêu Người ta đưa mô hình kênh mô tả đặc tính kênh truyền trường hợp cụ thể để giảm tối thiểu suy hao việc thông tin di động Vệ tinh Mô hình kênh truyền phân làm hai loại: +Kênh truyền băng hẹp: cường độ trường môi trường truyền sóng xem đồng với tất tần số dải tần số sóng mang đơn +Kênh truyền băng rộng: cường độ trường dải tần xem nhau, méo thành phần phổ chọn lọc 4.2.1 Các mô hình kênh truyền băng hẹp Trong băng hẹp, cường độ trường xem đồng dải tần xem xét chủ yếu phân tích xem xét biến đổi biên độ tín hiệu 52 chúng truyền qua kênh truyền Cho đến có nhiều mô hình đề xuất mô hình đề xuất xếp vào loại sau đây: +Mô hình dựa số liệu thực nghiệm +Mô hình phân tích thống kê +Mô hình phân tích hình học a, Mô hình thực nghiệm ảnh hưởng “bóng râm” hai bên lề đường *Đặc điểm: Mô hình sử dụng để đặc trưng cho hiệu ứng pha đinh vượt trội bị che khuất cối, nhà cửa hai bên đường thiết bị di động chuyển động đường liên lạc với Vệ tinh *Biểu thức: Biểu thức thực nghiệm đưa dựa số liệu đo lường tần số 1,5 GHz sau: AL ( P, θ , f L ) = − M ( θ ) ln P + N ( θ ) dB với fL = 1,5 GHz M ( θ ) = a + bθ + cθ N ( θ ) = dθ + e Với: a= 3,44; b= 0,0975; c= -0,002; d= -0,443 e= 34,76 Trong đó: - AL ( P,θ , f L ) : Là đặc trưng cho giá trị suy giảm tính dB -L: ký hiệu băng tần L -fL : Là tần số làm việc băng tần -P: Là số phần trăm mát khoảng cách truyền xác suất mát Giá trị tổn hao AL dải sóng L có quan hệ với giá trị tổn hao A UHF dải sóng siêu cao UHF, điều kiện có bị che khuất cối với giá trị P = (1 ÷ 30)%, biểu thị biểu thức sau: AL ( P,θ , f L ) = AUHF ( P, θ , f L ) 53 fL f UHF dB Giá trị tổn hao As dải sóng băng tần S (2,6 GHz) tính theo biểu thức sau: As ( P,θ , f L ) ≈ 1, 41AL ( P, θ , f L ) dB *Trường hợp ứng dụng: Mô hình dựa vào đo lường thực nghiệm vùng nông thôn ngoại vị thành phố Maryland (Mỹ) Các đo lường thực với góc ngẩng 200 ÷ 600 b, Các mô hình phân bố xác suất: *Đặc điểm: Các mô hình phân bố xác suất, mức độ xác đó, biểu thị đặc trưng tượng che khuất đa đường Dạng mô cho phép đánh giá hiệu kênh môi trường khác *Phân loại: Có ba dạng hạm mật độ xác suất (PDF) thường sử dụng để đặc trưng cho kênh, là: +Hàm Rician: sử dụng có sóng trực tiếp việc thu chủ yếu đa đường +Hàm Rayleigh: sử dụng sóng trực tiếp việc thu đa đường +Hàm log-chuẩn: sử dụng sóng trực tiếp bị che khuất việc thu chủ yếu đa đường Trường hợp: Sóng trực tiếp hoàn toàn bị che khuất: -Dẫn dắt: Trong môi trường thành phố, đa số trường hợp, sóng trực tiếp điểm thu hoàn toàn bị tắc nghẽn Trong trường hợp đó, việc thu chủ yếu tín hiệu đa đường Cũng mà tín hiệu thu tổng tất thành phần phân tán Có thể biểu thị chúng hai pha điện áp độc lập trực giao X Y, có biên độ góc pha ngẫu nhiên Góc pha thành phần phân tán đặc trưng hàm mật độ xác suất đồng khoảng (0 ÷ π ), biên độ biểu thi phân bố Rayleigh -Biểu thức: Phân bố biểu diễn sau: 54 PRayleigh ( r ) = r σ 2m  r2  exp  − ÷  2σ m  Trong đó: r đường bao tín hiệu xác đinh bởi: r = x2 + y Và σ m : Là công suất bị phân tán thu trung bình truyền lan đa đường Nếu công suất thu đồng góc tới thiết bị đầu cuối, mật độ phổ công suất điểm thu biểu thị biểu thức: σ m   ( f − fc )   1 −  S( f ) = ÷ π fm   fm     − W/Hz -Trường hợp sử dụng: Phân bố Rayleigh sử dụng để mô tả thành phần phân tán, đa đường Trường hợp sóng trực tiếp không bị che khuất: -Dẫn dắt: Khi điểm thu có mặt sóng trực tiếp sóng trực tiếp có biên độ A, ví dụ trường hợp môi trường mở thông tin Vệ tinh – di động -Biểu thức: Lúc hàm mật độ xác suất đường bao tín hiệu ngẫu nhiên theo phân bố Rician là: RRice ( r ) =  r + A2   rA  r exp I − ÷ 0 ÷ σ m2  2σ m   σ m  Trong đó: -I0(.): Là hàm Bessel bậc không hạng biến đổi - A2 : Là công suất thu trung bình thành phần sóng trực tiếp -r: Là đường bao tín hiệu - σ m : Là công suất phân tán trung bình thu thành phần phân tán truyền đa đường 55 -Nhận xét: Từ biểu thức nhận thấy, phân bố Rayleigh trường hợp đặc biệt phân bố Rician xuất giá trị A = -Trường hợp sử dụng: Các mô hình Rician sử dụng sóng trực tiếp không hoàn toàn bị che khuất tín hiệu có điều chế không điều chế, ví dụ vùng nông thôn Trường hợp sóng trực tiếp bị che khuất phần: -Dẫn dắt: Hàm mật độ log-chuẩn sử dụng để đặc trưng cho trường hợp sóng trực tiếp bị che khuất phần thành phần đa đường -Biểu thức: Plog −chuân ( r ) =  ln r − µ s  exp  − ÷ 2σ s  σ s r 2π  r Trong đó: - σ s : Là độ lệch chuẩn thành phần bóng râm (lnr) - µs : giá trị trung bình bóng râm -Trường hợp sử dụng: Vùng ngoại ô thành phố vùng có tượng bóng râm ngẫu nhiên sóng trực tiếp che khuất cối, nhà cửa,… Hàm phân bố log-chuẩn sử dụng để mô hình hiệu ứng môi trường trường hợp sóng trực tiếp *Mô hình thực nghiệm phân bố xác suất: +Dẫn dắt: Mô hình xây dựng cở sở số liệu thực nghiệm phân bố xác suất Các số liệu giả thiết: -Điện áp thu thành phần khuếch tán có phân bố Rayleigh -Các biến đổi điện áp tổn hao tín hiệu tia trực tiếp có phân bố log-chuẩn +Biểu thức: 56 Trong trường hợp này, hàm PDF đường bao r tín hiệu biểu thị biểu thức: PL ( r ) = ∞ r σ m 2πσ s ∫ (  ( ln A − µ ) r + A2 s exp  − −  A 2σ s 2σ M  ) ÷I  rA  ÷  σ m2   ÷dA  Trong đó: -L: Là ký hiệu tác giả (LOO) - σ m : Là công suất khuếch tán trung bình thu thành phần khuếch tán truyền đa đường - σ s : Là độ lệch chuẩn thành phần bị che khuất (lnA) - µs : Là giá trị trung bình thành phần bóng râm (lnA) %Nếu r >> σ m biểu thức đơn giản biểu thức: PL ( r ) =  ln r − µ s  exp  − ÷ 2σ s  σ s r 2π  r %Nếu r 600 ns Các hồi âm xa đặc trưng phân bố độ lệch thời gian đồng công suất có phân bố log-chuẩn Số lượng hồi âm xa giảm theo số mũ Các đo lường truyền sóng chứng tỏ rằng: +Ở đường phố, hồi âm đáng ý giới hạn nhỏ 500 ns, tổn hao (10 ÷ 20) dB +Ở vùng đồ núi, hồi âm đến µ s tổn hao khoảng 30 dB +Trên đường cao tốc, hồi âm giới hạn nhỏ 500 ns Đối với góc ngẩng 650 Tổng quát, hồi âm có giá trị trung bình khoảng 500 ns ÷ µ s 59 60 61 [...]... lớp và mật độ cấu trúc bên trong tầng điện li Các tham số còn phụ thuộc vào vùng địa lí trên trái đất, mùa năm tháng trong năm và chu kỳ 11 năm hoạt tính bức xạ mặt trời 29 Chương III TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 3.1 ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 3.1.1 Khái niệm về kênh truyền trong thông tin Vệ tinh Một hệ thống thông tin Vệ tinh bao gồm một Vệ tinh chuyển động trên quỹ... độ truyền dữ liệu nhanh hơn hẳn +Bảng 1.3: Biểu diễn các đặc tính giao diện vô tuyến của các hệ thống Chương II ĐẶC ĐIỂM TRUYỀN SÓNG TRONG THÔNG TIN VỆ TINH 2.1 CÁC LOẠI QUỸ ĐẠO VỆ TINH Quỹ đạo Vệ tinh là hành trình của Vệ tinh trong không gian mà trong đó Vệ tinh được cân bằng bởi hai lực đối nhau Hai lực đó là lực hấp dẫn của trái đất và lực ly tâm 18 được hình thành do độ cong của hành trình Vệ tinh. .. Bảng các đặc tính giao diện vô tuyến Nhận xét: +Từ bảng 1.1: Biểu diễn số Vệ tinh sử dụng và đặc tính quỹ đạo của các hệ thống Vệ tinh, ta thấy rằng: Tất cả các hệ thống Vệ tinh trên đều là các hệ thống mạng thông tin các nhân Vệ tinh Hầu hết các hệ thống này đều hoạt động ở loại quỹ đạo LEO Hệ thống vệ tinh NEW ICO có độ cao quỹ đạo và mỗi Vệ tinh có trọng lượng lớn nhất, cũng như số Vệ tinh ít nhất... thông tin Vệ tinh châu Âu, bao gồm hai hệ thống thông tin Vệ tinh là EUTELRACS (chuyên dụng) và EMSAT (thương mại) *Hệ thống EUTELRACS: Là một hệ thống thông tin quản lý hạm đội, được sử dụng để truyền tin, liên lạc giữa các phương tiện tàu bè, xe cộ di động thông qua một Vệ tinh địa tĩnh Đầu tiên hệ thống là một mạng thông tin Vệ tinh di động thương mại sau đó phát triển thêm nhiệm vụ truyền tin và theo... 24 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC TẤNG KHÍ QUYỂN ĐẾN KÊNH TRUYỀN TRONG THÔNG TIN VỆ TINH Tầng khí quyển là môi trường truyền sóng có ảnh hưởng trực tiếp đến sóng truyền trong hệ thống thông tin Vệ tinh Trong tầng khí quyển thì các tác động rõ nét nhất đến kênh truyền là các ảnh hưởng của tầng đối lưu và của tầng điện li 2.3.1 Ảnh hưởng của tầng đối lưu a, Đặc điểm của tầng đối lưu: Lớp không khí trên mặt đất... đất, nó hoạt động trong băng tần C *Hệ thống thông tin Vệ tinh THURAYA: Một hệ thống thông tin Vệ tinh khác phủ sóng đến các thị trường Trung Đông và Trung Á là hệ thống THURAYA-1, nó bắt đầu hoạt động vào năm 2001 với một thời gian hoạt động là 12 năm Vệ tinh có thể hỗ trợ đến 13750 cuộc gọi đồng thời và xác suất nghẽn cuộc gọi là 2 % Vệ tinh THURAYA-2 đóng vai trò như là một Vệ tinh dự phòng 12 THURAYA... 400 MHz Mỗi Vệ tinh sẽ có khả năng giải điều chế và giải mã tất cả các gói tín hiệu thu được và nhớ, sau đó sẽ phát lại hoặc truyền trực tiếp đến trạm mặt đất cổng chính Mỗi Vệ tinh có 4 thiết bị phát sóng và 15 thiết bị thu sóng 1.3.3 Các hệ thống thông tin Vệ tinh không địa tĩnh đến cá nhân thuê bao Năm 1990 cũng đã đánh dấu bước chuyển tiếp quan trọng trong cuộc cách mạng truyền thông Vệ tinh di động,... đạo, tốc độ của Vệ tinh lại 21 giảm, nó có giá trị bằng tốc độ trái đất tại điểm tiếp tuyến đứng và tiếp tục giảm nhỏ hơn tốc độ của trái đất khi di chuyển về hướng Tây Việc giảm tốc độ Vệ tinh cho đến viễn điểm và sau đó lại tăng lên Viễn điểm nằm giữa các điểm với tiếp tuyến đứng Vệ tinh có khoảng thời gian nhìn thấy Vệ tinh là hơn 8 giờ với một góc ngẩng khá rộng lúc Vệ tinh ở viễn điểm của quỹ đạo... cao của vệ tinh 35.786,1 km Bán kính Trái đất ở xích đạo 6.378,1 km Bảng 2.1 : Các thông số Kepler của vệ tinh địa tĩnh 20 2.1.2 Quỹ đạo elip a, Đặc điểm của quỹ đạo elip: Đối với các quỹ đạo elip thì tốc độ của Vệ tinh không phải là hằng số Tốc độ đó có giá trị cực đại ở cận điểm và có giá trị cực tiểu ở viễn điểm Do đó Vệ tinh ở vùng viễn điểm có thời gian phủ sóng lớn hơn so với vùng cận điểm và hiệu... 26.556 km Độ cao cận điểm 1.250 km Độ cao viễn điểm 39.105 km Bảng 2.2 : Một số đặc tính quỹ đạo vệ tinh MOLNYA +Quỹ đạo Vệ tinh TUNDRA: Vệ tinh này có chu kỳ quỹ đạo là 24 giờ Thời gian nhìn thấy Vệ tinh có thể lớn hơn 12 giờ với góc ngẩng lớn, như vậy chỉ cần hai Vệ tinh cách nhau 1800 là đủ Chu kù quỹ đạo 24h ( bằng ngày thiên văn 23h56m4s ) Bán kính trục lớn 42.164 km Độ cao của cận điểm 25.231 km Độn