Chuong 2 kỹ THUẬT TRẠM mặt đất và HUB

Chương này với mô tả những xem xét chính yêu cầu trong thiết kế trạm mặt đất VSAT trạm từ xa và cả Hub và mô tả đặc tính của vài hệ thống của một trạm Hub của các khối thiết bị chính của

CHƯƠNG 2:

KỸ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT VÀ HUB - NHIỄU VÀ CÁC VẤN ĐỀ KHI HOẠT ĐỘNG 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG.

Một vệ tinh thông tin yêu cầu để cung cấp dịch vụ bên trong một vùng địa lý trong thời gian sống của nó Việc thiết kế được điều khiển bởi khả năng thông tin của vệ tinh VSAT, môi trường vật lý mà nó hoạt động và yêu cầu công nghệ

Thiết kế một vệ tinh VSAT bắt đầu với sự tổng hợp tất cả các yêu cầu kỹ thuật của tàu vũ trụ, như EIRP và vùng phủ sóng Còn đối với trạm mặt đất thì cần

có những chỉ tiêu kỹ thuật nào? Chương này với mô tả những xem xét chính yêu cầu trong thiết kế trạm mặt đất VSAT (trạm từ xa và cả Hub) và mô tả đặc tính của vài hệ thống của một trạm Hub của các khối thiết bị chính của nó, sự tối ưu hóa cũng như những ràng buột kỹ thuật và giá

2.2 VSAT - KỸ THUẬT TRẠM MẶT ĐẤT.

2.2.1 Cấu trúc chung

Theo chức năng trạm mặt đất VSAT được chia làm ba phần: Anten, khối thiết bị ngoài trời (ODU) và khối thiết bị trong nhà (IDU) Hầu hết các loại trạm mặt đất VSAT hoạt động ở các tần số khác nhau nhưng có cấu trúc tương đối giống nhau, ngoại trừ anten và mạch RF Sơ đồ khối của ba phần như hình sau:

Hình 2.1: Cấu hình tiêu biểu của một trạm VSAT

Ở đây các anten parabol có độ lệch nhỏ tương ứng với đường kính từ 1 ÷ 2m được dùng rộng rãi ODU (Out-Door Unit) khối ngoài VSAT chứa phần RF (chẳng hạn như bộ LNC-bộ khếch đại nhiễu thấp đối với phần chuyển đổi tần xuống và bộ

IDU

ODU

IFL

Đến

TV SET

Đến các DTE

LNC HPC

LNC HPC

BBP

Bộ thu

TV tùy chọn

ANTEN

HPC- bộ chuyển đổi công suất cao với phần chuyển đổi tần lên) Và được lắp đặt ngay sau tiêu điểm của anten Anten với ODU có thể được lắp đặt dễ dàng trên đỉnh (nóc), nơi đặt đầu cuối của người dùng

Một khối IDU điển hình chứa một mạch IF, một modem và một bộ xử lý tín hiệu băng gốc Đôi khi mạch điều chế cũng được chứa trong ODU thay vì IDU

IDU thường được lắp đặt ở đầu cuối dữ liệu người dùng và được kết nối trực tiếp đến các đầu cuối này thông qua giao tiếp thông tin dữ liệu chuẩn IDU và ODU được nối với nhau bởi cáp IFL (Interfacility Link), khoảng từ 100 - 300m

Một phương pháp bố trí lắp đặt tiêu biểu của một trạm VSAT như hình:

Hình 2.2: Cấu hình lắp đặt tiêu biểu của một trạm VSAT 2.2.2 Anten trạm VSAT.

Anten bao gồm gương phản xạ anten, bộ thu/phát sóng Do anten phụ thuộc vào địa lý nên đường kính của anten có thể được chọn lựu từ nhà cung cấp tùy theo yêu cầu hệ số G/T và đặc tính EIRP của VSAT Đối với hoạt động trong băng tần 14/12 Ghz các anten có đường kính từ 1.2-1.8m thường được sử dụng, tuy nhiên các anten có đường kính lớn hơn cũng được sử dụng khi cần có một độ dự trữ cao hơn tại vị trí gần rìa vùng phủ sóng của anten hoặc tại vùng có mưa lớn

Cần chú ý đến sự tương thích với các hệ thống vệ tinh kế cận và các dịch vụ

vệ tinh kế cận khác Như anten nhỏ có mặt phản xạ hình elip có khả năng cải thiện đặc tính búp sóng phụ, phù hợp với việc tránh nhiễu cho các vệ tinh kế cận

IFL

IDU

Kiểu anten parabol lệch tâm không cản trở sự phản xạ sóng thường được dùng để khử các mức búp sóng phụ và cải thiện hiệu suất thu đối với các anten đường kính nhỏ hơn

2.2.3 Khối thiết bị ngoài trời (ODU) của VSAT.

Một khối ODU tiêu biểu là một khối tích hợp đơn được bảo vệ trong hộp chống sự tác động của thời tiết bên ngoài Sơ đồ khố của ODU hoạt động ở băng thông 14/12Ghz như hình 2.3

Hình 2.3: Sơ đồ khối tiêu biểu của ODU

Khối ODU gồm cả mạch RF phát và thu trong đó chứa bộ khếch đại công suất cao tần (HPA) và bộ khếch đại tạp âm thấp (LNA), các bộ chuyển đổi tần lên tần xuống (D/C, U/C), bộ dao động nội (OSC) và bộ chuyển đổi chế độ phân cực (OMT) cho phần tiếp sóng của anten Trong một vài trường hợp, bộ điều chế PSK cũng nằm trong ODU

Tín hiệu trung tần phát (hoặc tín hiệu băng gốc trong trường hợp bộ điều chế

ở trong ODU), tín hiệu trung tần thu, tần số tham chuẩn, tín hiệu điều khiển cảnh báo cũng như nguồn điện một chiều sẽ được cung cấp thông qua cáp IFL giữa ODU

và IDU Mạch ghép kênh trong các cổng ODU và IDU sẽ được kết hợp và phân

Nguồn DC

Khếch đại trung tần thu

An ten HPA

LNA

Khếch đại trung tần phát

Tín

hiệu

trung

tần

Tín hiệu điều khiển cảnh báo

Tần số tham chiếu

Bộ

ghép

kênh

LO OSC

ALC

OMT

HPA : Bộ khếch đại công suất cao LNA : Bộ khếch đại nhiễu thấp OMT: Bộ chuyển đổi chế độ phân cực

chia các tín hiệu này để giảm bớt số lượng cáp Tần số IF xung quanh 1-2Ghz thường được truyền qua cáp IFL Hệ số giới hạn chiều dài IFL thường là suy hao tín hiệu IF qua cáp IFL

Mạch phát bao gồm một bộ điều chế PSK (trong trường hợp nó ở trong ODU), một bộ khếch đại IF, một bộ trộn (MIX), một bộ lọc thông dải, một bộ khếch đại công suất và bộ lọc thông cao Một tín hiệu IF điều chế PSK từ IDU (hoặc tạo ra

từ bộ điều chế trong ODU) sẽ được khếch đại và đổi tần lên cao tần Sau đó nó được khếch đại bởi một bộ công suất cao (HPA) Bộ IF này có thể chứa bộ suy giảm để điều chỉnh và duy trì công suất ra dựa trên một mạch điều khiển mức ACL

Trong một vài mô hình công suất được điều khiển bằng một tín hiệu điều khiển từ IDU Nhờ đó có thể điều khiển từ xa công suất ra từ một trạm mặt đất Hub, hoặc có thể tự động tăng nó lên trong trường hợp có suy hao do mưa (tự động điều khiển công suất đường lên)

Mạch thu bao gồm một bộ lọc bỏ tín hiệu phát, một bộ khếch đại nhiễu thấp (LNA), một bộ trộn (MIX), một bộ lọc thông dải và một bộ khếch đại IF Bộ lọc loại bỏ tín hiệu phát được dùng để giảm thiểu mức tạp âm thu do sự phản hồi của nhiễu tạo ra bởi bộ phát Tín hiệu thu được khếch đại bởi LNA, được chuyển đổi tần xuống sang tín hiệu IF bởi bộ trộn tín hiệu thu, được khếch đại bằng bộ khếch đại IF

và gởi đến IDU Khi có sự cố xẩy ra trên ODU, một tín hiệu cảnh báo sẽ được gởi đến IDU và sự truyền dẫn được dừng một cách tự động

2.2.4 Khối thiết bị trong nhà (IDU) của VSAT

Thông thường IDU là một khối tích hợp đơn chứa các mạch modem IF và

bộ xử lý băng gốc Nó có kích thước giống như kích thước của một máy tính cá nhân Ngoài ra, trong một số trường hợp mạch điều chế sẽ được chứa trong ODU như đã đề cập phần trên

IDU được nối đến ODU bằng cáp IFL Các DTE được nối đến IDU qua giao tiếp thông tin dữ liệu chuẩn, chẳng hạn như giao tiếp ITU-T V24

Đối với hoạt động thoại, các mạch mã hóa và giải mã thoại (Codec) sẽ được cung cấp và chuyển đổi tín hiệu thoại tương tự từ một đường truyền trên mặt đất thành tín hiệu số cho việc truyền dẫn và ngược lại Các mạch chuyển đổi báo hiệu

cũng được cung cấp để giải mã tín hiệu quay số và các tín hiệu giám sát đi cùng với tín hiệu thoại để sau đó chuyển chúng đến bộ đa truy cập phân phối theo yêu cầu DAMA tại trạm Hub trung tâm

2.3 Kỹ thuật trạm mặt đất Hub.

2.3.1 Mô hình tổng quát của một trạm Hub.

Các mạng VSAT thường được thiết kế theo một mạng cấu trúc hình sao mà trong đó một trạm mặt đất trung tâm và được gọi là Hub, và được nối kết đến một lượng lớn các trạm VSAT đặt phân tán rải rác ở xa về phương diện địa lý Trong hầu hết các ứng dụng, Hub có thể được kết nối qua một đường truyền trên mặt đất đến một máy tính chủ

Mô hình này tương ứng với mạng VSAT hình sao, hai chiều TDM/TDMA Trong trường hợp này trạm Hub truyền đi một hay nhiều sóng mang TDM tuyến ra

và nhận nhiều sóng mang TDMA tuyến vào với tốc độ bit thấp hơn

Mô hình tổng quát của trạm Hub rất giống với mô hình của một trạm mặt đất nếu xét về mặt các thiết bị RF/IF Sự khác nhau giữa chúng là việc xử lý số và thiết

bị băng gốc Các thành phần chính của Hub bao gồm:

• Thiết bị RF (nếu mạng có Hub dùng chung, hệ thống thành phần này được dùng chung cho các mạng con khác nhau)

• Thiết bị IF, bao gồm bộ điều chế phát tuyến ra và các bộ giải điều chế thu tuyến vào

• Thiết bị băng gốc có thể bao gồm:

 Thiết bị điều khiển và xử lý thu/phát

 Thiết bị giao tiếp đường truyền mặt đất

 Các Bus hiệu dụng và Bus luồng thông tin

• Trung tâm điều khiển mạng NNC và các bàn điều khiển

Dữ liệu cần truyền đến các trạm VSAT ở xa sẽ được truyền từ máy tính chủ đến Hub thông qua các đường truyền mặt đất, sau đó đi vào Hub qua LIE và được đưa đến TX PCE, sau đó đến bộ điều chế

Trên hướng ngược lại, dữ liệu nhận được từ các trạm VSAT sẽ đi qua bộ giải điều chế và RX PCE trước khi được gởi đến các ứng dụng người dùng thông qua LIE Hoạt động hoàn chỉnh của một mạng VSAT được điều khiển và giám sát bởi các bàn điều khiển của người điều hành có kết nối đến NNC

2.3.2 Thiết bị RF.

Các khối thiết bị RF của các trạm Hub hoàn toàn giống với thiết bị RF của các trạm mặt đất vừa và lớn Thường thì chúng có cấu hình dự phòng (trừ anten) bao gồm:

 Anten

 Các bộ khếch đại nhiễu thấp LNA

 Các bộ khếch đại công suất cao HPA

 Các bộ chuyển đổi lên-xuống UC, DC

 Các chuyển mạch dự phòng

 Khối điều khiển và giám sát thiết bị RF

Băng tần phổ biến nhất là 14/11-12Ghz và 6/4Ghz

Một đặc điểm của các mạng hình sao là anten Hub lớn hơn anten VSAT ở xa Đường kính anten Hub thường được xác định thông qua việc tính toán năng lượng đường truyền tuyến vào, tức là thông qua giá trị G/T cần thiết cho Hub Thật ra cần phải có một sự tính toán cân bằng trong mỗi trường hợp giữa các chi phí phải trả hoặc cho mức EIRP ở VSAT từ xa cao hơn hoặc cho anten Hub rộng hơn

Đường kính anten Hub từ 3.5-11m là các giá trị tiêu biểu của dải băng tần 14/11-12 Các anten phổ biến nhất thường được dùng mặt phản xạ Cassgrain hoặc Gregrain Chúng được gắn trên một giá đỡ đơn giản với khả năng bám đuổi rất hạn chế Nột vài khả năng bám đuổi (bám đuổi theo chương trình hoặc bám đuổi theo bước) là rất cần thiết phải áp dụng, đặc biệt khi khả năng duy trì sự cố định trên vệ tinh là không đủ Đó là trường hợp khi sử dụng vệ tinh theo quỹ đạo nghiên

Đối với một kích thước anten Hub cho trước, mức công suất đầu ra danh định được cung cấp bởi HPA được xác định thông qua việc tính toán năng lượng đường tuyền tuyến ra: nó phụ thuộc chủ yếu vào các thông số anten, đường kính

anten VSAT ở xa, vào số lượng sóng mang phát đi (đặc biệt là trong trường hợp Hub dùng chung) và vào mức lùi lại (Backoff) cần thiết được quy định bởi đặc tính xuyên điều chế của HPA

Hình 2.6: Sơ đồ khối đơn giản hóa của một Hub.

Các Hub có băng tần 14/11-12Ghz có thể được cung cấp các hệ thống điều khiển công suất đường lên để có thể bù cho sự suy hao đường lên do ảnh hưởng của điều kiện khí hậu (suy hao do mưa), vì vậy duy trì được một mức EIRP cố định cho

vệ tinh Hệ thống này có thể được kích hoạt thông qua việc so sánh một mức chuẩn với một mức thu trong thực tế tín hiệu sóng mang TDM hoặc một tín hiệu quay về

Thiết bị băng tần

cơ sở ở Hub (HBE)

Trạng thái thiết bị Các đường

truyền mặt đất

BÀN ĐIỀU KHIỂN NCC

Các thành phần mặt đất

HPA

HPA

UC

DC

Các bộ điều chế tuyến ra

Các bộ điều chế tuyến vào

TX-PCE

RX-PCE

HCI

LIE

CSW

( Hoặc

FEP) HUB

từ một vệ tinh Tuy nhiên, cần phải có một sự giám sát chặt chẽ hoạt động của hệ thống này, bởi vì có khả năng gây ra các mức nhiễu không thể chấp nhận được cho các vệ tinh kế cận, ví dụ như trong trường hợp sự sai lệch định hướng của anten

2.3.3 Thiết bị Modem IF.

Các Modem ở Hub thường là các bộ điều chế và giải điều chế tùy thuộc vào từng hệ thống (BPSK, QPSK, MSK )

* Thiết bị Modem IF gồm có:

 Một hoặc một vài bộ điều chế cho phép việc truyền một hoặc một vài sóng mang TDM

 Các bộ giải điều chế: trong trường hợp tổng quát, chính là bộ giải điều chế chùm tín hiệu TDMA dùng cho việc thu các sóng mang tuyến vào Mỗi bộ điều chế TDM tuyến ra nói chung thường được kết hợp với một số

bộ giải điều chế TDMA tuyến vào bởi vì một số kênh tuyến vào thường được kết hợp với một kênh tuyến ra

Các thuật toán mã hóa và giải mã FEC dùng thuật toán Viterbi hoặc thuật toán tuần tự cũng thường được kết hợp với bộ điều chế và giải điều chế

Một trong những đặc tính hoạt động quan trọng trong bộ giải điều chế TDMA là khả năng thu các chùm tín hiệu, tín hiệu đi vào là chùm tín hiệu ngắn Hơn nữa, các chùm tín hiệu được phát đi bởi nhiều VSAT Do đó, tần số sóng mang

và bít định thời của các chùm nhận được sẽ khác với các chùm tín hiệu khác nhau

Bộ giải điều chế chùm tín hiệu TDMA đầu tiên cần phải kiểm tra và khôi phục lại tần số sóng mang và bít định thời một cách chính xác và nhanh chóng trước khi nó

có thể phục hồi dữ liệu chứa trong chùm tín hiệu

2.3.4 Thiết bị băng gốc ở trạm Hub (HBE).

HBE (Hub Baseband Equipment) cung cấp một giao tiếp vào/ra (hai chiều) giữa thiết bị truyền dẫnviễn thông và các đầu cuối xử lý dữ liệu khác nhau Thông qua các giao tiếp này, các kênh dữ liệu được định địa chỉ và định tuyến

Vì vậy HBE hoạt động như một chuyển mạch trung tâm mạng VSAT và đặc biệt như một chuyển mạch gói, trong trường hợp thông tin dữ liệu được truyền dưới dạng gói phổ biến

2.3.4.1 Thiết bị điều khiển và xử lý phát (TX-PCE).

TX-PCE bao gồm một hoặc vài khối xử lý phát - TPU(Transmit Processing Unit) Chức năng chính của mỗi TPU là để ghép các tín hiệu thông tin khác nhau trên một kênh TDM đa đích

Có ba loại thông tin chứa trong tuyến này:

 Dữ liệu đồng bộ mạng

 Thông tin điều khiển mạng

 Dữ liệu người dùng

Việc truyền dẫn TDMA từ các trạm VSAT sẽ được đồng bộ hóa thông qua các tín hiệu định thời có thể được quảng bá trên kênh tuyến ra, tại điểm bắt đầu của các khung TDM Các bộ giải điều chế TDMA và RX PCE của Hub cần các thông tin định thời này để khôi phục và xử lý chùm tín hiệu này dễ dàng Tín hiệu định thời này được tạo ra trong khối ghép kênh TDM (TDM-MUX) và được phân phối đến các khối xử lý thu RX RPU(Receive Processing Unit) khác nhau để cho phép thu tín hiệu TDMA Một bộ giải điều chế TDM sẽ thu sóng mang TDM hồi tiếp và tạo ra tín hiệu định thời, sử dụng bộ trễ đi về của vệ tinh đo được

Việc phát tín hiệu trên kênh tuyến ra thường ở dưới dạng các gói được sắp xếp trong các khung, mỗi gói chứa địa chỉ và thông tin mỗi gói Trường địa chỉ dùng để nhận biết VSAT đích và được chọn lọc bởi VSAT thu Chức năng đóng gói được thực hiện bởi nguồn phát gói, và các gói từ nhiều nguồn khác nhau sẽ được đối chiếu để tạo ra một dòng tín hiệu phát đi duy nhất được gởi đến bộ điều chế

2.3.4.2 Thiết bị điều khiển và xử lý thu (RX PCE).

RX PCE bao gồm nhiều RPU, mỗi một RPU được liên kết với một kênh tuyến vào TDMA

Chức năng chính của RX PCE là nhận dữ liệu được phát bởi các trạm VSAT theo các góivà xử lý thông tin theo ứng dụng người dùng Thiết bị này cũng thực hiện các chức năng giao thức mạng bên trong, kể cả các quá trình truy cập vệ tinh

2.3.4.3 Thiết bị giao tiếp đường dây (LIE).

LIE nhận và gởi các thông tin vào/ra trên các đường truyền mặt đất để kết nối người dùng từ xa đến các ứng dụng của họ Nó thực hiện các chức năng giao

tiếp Việc kết nối đường truyền mặt đất I/O và các máy chủ có thể thông qua chuyển mạch thông tin

Thông thường, dữ liệu từ đường truyền mặt đất đi vào Hub thông qua các giao thức như X25, SDLC và vai trò của LIE là để cung cấp các chức năng giao thức này tại Hub LIE định dạng các gói thành khuôn dạng của mạng VSAT, thêm vào các Header cần thiết, thông tin địa chỉ Các gói thu được từ các khối xử lý thu (RPU) sẽ được chuyển đổi từ khuông dạng của mạng VSAT sang giao thức giao tiếp mặt đất

Một LIE đặc biệt sẽ được cài đặt trong trường hợp mạng VSAT còn cung cấp

cả thông tin thoại Chú ý rằng thông tin thoại còn có thể được phát đi qua các đường truyền SCPC đây là trường hợp thông thường khi mạng VSAT được dùng chủ yếu cho hệ thống điện thoại mỏng (điện thoại nông thôn)

Tuy nhiên, trường hợp được bàn đến là mạng VSAT hình sao hai chiều, TDM/TDMA cho nên ứng dụng chính là thông tin dữ liệu và chỉ có một vài đường thoại là được cung cấp cho các dịch vụ bổ trợ Trong trường hợp này thoại được truyền dưới dạng gói đi cùng với các gói thông tin dữ liệu Thông tin thoại nói chung chỉ giới hạn ở các đường Hub => VSAT ở xa (hoặc ngược lại) để tránh việc truyền hai bước (Double Hop)

2.3.4.4 Trung tâm điều khiển mạng (NNC).

NCC có nhiệm vụ điều khiển và giám sát hệ thống và hoạt động của mạng

Nó cung cấp giao tiếp Người-Máy cho phép các sự can thiệp của người điều hành vào hệ thống

NCC được kết nối với thiết bị Hub thông qua khối giao tiếp điều khiển Hub HCI(Hub-Control Interface): thiết bị băng gốc được kết nối với nhau thông qua băng Bus, và với các thiết bị IF/RF thông qua đường liên lạc điều khiển từ xa phục

vụ cho việc giám sát và điều khiển tình trạng thiết bị NCC sử dụng một hệ thống dựa trên cơ sở máy tính, các giao tiếp với người sử dụng dưới dạng một hoặc nhiều bàn điều khiển Độ phức tạp của nó phụ thuộc vào kích thước mạng VSAT

2.4 Các loại nhiễu:

2.4.1 Giới thiệu: