Nghiên cứu cấu trúc của hệ thống thông tin di động vệ tinh.

Hiện nay, trên thế giới cũng như trong khu vực, rất nhiều nước đ• có hệ thống thông tin vệ tinh riêng của mình. Mục đích chung của các hệ thống này là đáp ứng nhu cầu phát triển cũng như các dịch vụ ngày càng đa dạng và phong phú: truyền hình, thoại, Fax, số liệu ...với nhiều nhu cầu khác nhau của khách hàng thuê bao. Với sự bùng nổ thông tin như hiện nay, người ta đ• sử dụng tới các phương thức truyền dẫn khác nhau: từ cáp đồng truyền thống đến vô tuyến và công nghệ mới đây là cáp sợi quang. ở một góc độ nhất định thì các phương thức truyền dẫn trên đ• phần nào thoả m•n được nhu cầu, tuy nhiên, thông tin cho các vùng sâu, vùng xa, miền biển, biên giới, hải đảo hay các khu vực cần phục hồi thông tin nhanh hoặc tăng lưu lượng cho một vùng thì chúng phần nào đ• bộc lộ một số hạn chế. Đó là việc triển khai mất thời gian, tốc độ triển khai chậm, không hiệu quả và đôi khi còn không thực hiện được. Khác phục nhược điểm trên, với các ưu thế vốn có của mình về việc phủ sóng cụ thể là khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ với độ tin cậy cao, tốc độ triển khai nhanh với giá cước không phụ thuộc vào không gian, khoảng cách. Thông tin vệ tinh trở thành phương thức truyền dẫn cần thiết, lâu dài và song song với các phương thức truyền d•n khác để tạo nên một hạ tầng thông tin tiên tiến. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động vệ tinh nó sẽ đem đến cho mạng viễn thông một sự phát triển vượt bậc. Từ khi vệ tinh ra đời thì cấu trúc của hệ thống đ• được đưa ra và đ• được phát triển tương đối hoàn thiện. Đồ án này nhằm mục đích giới thiệu hệ thống thông tin di động vệ tinh và ở đó đi sâu về cấu trúc hệ thống thông tin di động. Nội dung đồ án được chia làm 2 phần Phần I. Giới thiệu về sự phát triển của cấu trúc hệ thống thông tin di động vệ tinh. Phần II. Nghiên cứu cấu trúc của hệ thống thông tin di động vệ tinh.

Lời Nói Đầu Hiện nay, trên thế giới cũng nh trong khu vực, rất nhiều nớc đã có hệ thống thông tin vệ tinh riêng của mình. Mục đích chung của các hệ thống này là đáp ứng nhu cầu phát triển cũng nh các dịch vụ ngày càng đa dạng và phong phú: truyền hình, thoại, Fax, số liệu .với nhiều nhu cầu khác nhau của khách hàng thuê bao. Với sự bùng nổ thông tin nh hiện nay, ngời ta đã sử dụng tới các phơng thức truyền dẫn khác nhau: từ cáp đồng truyền thống đến vô tuyến và công nghệ mới đây là cáp sợi quang. ở một góc độ nhất định thì các phơng thức truyền dẫn trên đã phần nào thoả mãn đợc nhu cầu, tuy nhiên, thông tin cho các vùng sâu, vùng xa, miền biển, biên giới, hải đảo hay các khu vực cần phục hồi thông tin nhanh hoặc tăng lu lợng cho một vùng thì chúng phần nào đã bộc lộ một số hạn chế. Đó là việc triển khai mất thời gian, tốc độ triển khai chậm, không hiệu quả và đôi khi còn không thực hiện đợc. Khác phục nhợc điểm trên, với các u thế vốn có của mình về việc phủ sóng cụ thể là khả năng cung cấp nhiều loại hình dịch vụ với độ tin cậy cao, tốc độ triển khai nhanh với giá cớc không phụ thuộc vào không gian, khoảng cách. Thông tin vệ tinh trở thành ph- ơng thức truyền dẫn cần thiết, lâu dài và song song với các phơng thức truyền dãn khác để tạo nên một hạ tầng thông tin tiên tiến. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động vệ tinh nó sẽ đem đến cho mạng viễn thông một sự phát triển vợt bậc. Từ khi vệ tinh ra đời thì cấu trúc của hệ thống đã đợc đa ra và đã đợc phát triển tơng đối hoàn thiện. Đồ án này nhằm mục đích giới thiệu hệ thống thông tin di động vệ tinh và ở đó đi sâu về cấu trúc hệ thống thông tin di động. Nội dung đồ án đợc chia làm 2 phần Phần I. Giới thiệu về sự phát triển của cấu trúc hệ thống thông tin di động vệ tinh. Phần II. Nghiên cứu cấu trúc của hệ thống thông tin di động vệ tinh. 1 Chơng I Sự phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh di động I. Sự phát triển của ngành viễn thông di động Hệ thống thông tin di động đợc chia làm 2 loại chính là:Trên măt đất và vệ tinh. ở cả hai loại hình này tính di động có đợc là do kết nối tần số vô tuyến (RF) giữa chuyển tiếp và nối với mạng cố định và mỗi thuê bao ngời dùng, cho đến gần đây cả hai hệ thống này vần còn phát triển độc lập. Hệ thống di động mặt đất thích hợp nhất với môi trờng ở thành phố, trái lại hệ thống di động vệ tinh lại cung cấp các giải pháp thông tin có hiệu quả cho các vùng sâu vùng xa nh ngoài khơi, hành lang hàng không hay những vùng heo hút. Đầu năm 1990 công nghệ MSS đã phát triển vợt bậc đến mức mà các nhà lập kế hoạch hệ thống đã bắt đầu định giá đợc những nguồn lợi và kỹ năng có đợc từ việc hợp nhất hai công nghệ này từ đó dẫn đến sự khởi đầu của quá trình từng bớc hợp nhất của hai hệ thống vào cuối thập kỷ tiến tới hợp nhất hoàn toàn trong tơng lai gần. I.1. Hệ thống mặt đất Ngời ta đã nhận ra tiềm năng thông tin di động ngay từ những buổi đầu của vô tuyến vào cuối những năm 1800 vô tuyến di động sử dụng sớm nhất là trong ngành hàng hải và cu hộ. Trớc và trong chiến tranh thế giới lần thứ 2 hệ thống thông tin di động chỉ đợc giới hạn trong lĩnh vực quân sự. Các đèn chân không và pin làm cho máy điện đài trở nên đồ sộ hạn chế tác dụng của chúng trong chuyên môn đến những năm 1950 sự tiến bộ về công nghệ đã cho gia đời các máy bộ đàm FM/VHF ( điều tần bằng són cực ngắn ) mở rộng khả năng áp dụng của hệ thống di động tới các phơng tiện di động cá nhân sự lớn mạnh của vô tuyến di động rất còn chậm chạp cho đến những năm 1970 do việc mở rộng dịch vụ trong băng tần đợc phép là rất kho khăn. Nhìn chung các dịch vụ thông 2 tin di động vẫn còn khá đắt ngay cả khi cớc phí của các dịch vụ di động có giảm đáng kể thì nhân tố cản trở sự phát triển của các dịch vụ này chính là sự khan hiếm phổ. Khái niệm vô tuyến tế bào đã đa ra một giải pháp cung cấp cho một số lợng lớn các thuê bao ở những vùng phổ bị hạn chế đợc đề xuất tại phòng thí nghiệm Bell vào những năm 1940 phải đến những năm 1980 mới có công nghệ thc hiện khái niệm này. Năm 1946 máy điện đài di động AT.T đã đợc phép tiếp cận mạng thông tin di động của Mỹ. Dịch vụ này có tên là dịch vụ điện thoại di động gọi tắt là MTS hoạt động ở dải tần số 35-150 MHz đây là hệ thống hớng dẫn điều khiển bằng tay ngời gọi tự chọn kênh nối và yêu cầu ngời phục vụ kết nối. Năm 1964 một hệ thống MTS cải tiến hoạt động song công tự động quay số và chuyển mạch đã ra đời. Ban đầu hệ thống này hoạt động hạn chế trên 11 kênh ở băng tần 152-158 MHz do nhu cầu ngày càng tăng năm 1969 dung lợng của hệ thống đã dạt tới 12 kênh trên băng tần 454-459 MHz mỗi vùng dịch vụ đều cố một trạm thu phát sóng riêng và chỉ dùng một kênh duy nhất do đó không thể thoả mãn nhu cầu, mỗi vùng phủ sóng chỉ có khoảng 550 thuê bao hạn chế khác của dịch vụ này là máy thu phát đồ sộ cần có loại pin dung lợng lớn việc giới thiệu vô tuyến tế bào chính là một bớc đột phá lớn đợc mong đợi để giải quyết sự hạn chế của phổ hệ thống tế bào đầu tiên đợc biết đến nh hệ thống điện thoại di động tiên tiến do hai tập đoàn AT&T và Motorola Inc đa ra tại Mỹ. Một hệ thống tơng tự cũng đợc thiết kế để hoạt động ở băng tần 800 MHz với công suất 666 cặp kênh tuy nhiên hệ thống tế bào đầu tiên lại đợc áp dụng ở Nhật Bản vào năm 1979, tiếp đó vào năm 1981 hệ thống điện thoại di động NMT đợc giới thiệu ở Đan Mạch, Phần Lan, Na Uy và Thuỵ Điển, hệ thống (TACS) ở Anh và (AMPS) ở Mỹ đợc ứng dụng vào năm 1983. Các loại hệ thống khác cũng đợc phát triển và giới thiệu ở một số nớc khác. Những nớc phát triển nhanh chóng trong các lĩnh vực nh vô tuyến, VLSI hay công nghệ máy tính đã làm giảm mạnh chi phí thông qua quy mô của các nền kinh tế cũng nh sự gia tăng của hệ thống thông tin t nhân. hàng loạt máy điện thoại tế bào các 3 hệ thống cũng nh dịch vụ viễn thông khác đợc đa vào sử dụng. Tỷ lệ tăng trởng này còn đợc đánh giá qua một bảng dự toán cho thấy tại Anh 60% dân số sẽ sử dụng điện thoại di động vào cuối năm 2000. Sự thành công về mặt thơng mại của mạng điện thoại tế bào cũng để lại hậu quả là sự gia đời của rất nhiều hệ thống không tơng thích với nhau dẫn đến việc các thuê bao không thể sử dụng điện thoại của mình ngoài vùng đăng ký, các nỗ lực đợc tập chung giải quyết vấn đề này đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống kỹ thuật số thế hệ thứ 2 tiêu biểu là hệ thống GSM ở Châu Âu có khả năng chuyển vùng giữa các nớc. Mặc dù hệ thống tế bào đã cho hiệu quả phổ cao nhng dung lợng thấp vẫn là vấn đề bức xúc và những nỗ lực để nâng cao dung lợng vẫn đang đợc tiếp tục. Tại Mỹ dựa vào các sóng mang của hệ thông AMPS đã giảm từ 300 KHz xuông còn 10khz. Cách thứ hai là việc đa ra kỹ thuật nén âm kỹ thuật số dùng với TDMA nhằm tăng dung lợng lên một bậc điều chế trải phổ với CDMA là một cách khác nữa những ngời đề xuất phơng pháp này công bố rằng dung lợng của CDMA bằng 10- 20 lần so với AMPS. Các hệ thống thông tin cá nhân gần đây dựa trên công nghệ GSM và công nghệ trải phổ đợc gọi là IS-136 hay D-AMPS. Hệ thống tế bào thế hệ thứ 3 dựa trên những tiêu chuẩn chung đang đợc giới thiệu ở một số nớc Châu Âu và một số nớc khác nhằm tạo ra tính đồng nhất trong thông tin di động thế giới, từ đó mang lại lợi nhuận cho nhà khai thác, sản xuất cũng nh ng- ời sử dụng. Ngời ta cũng hy vọng rằng hệ thống thông tin vệ tinh cũng trở thành một thành phần của hệ thống rộng khắp này. Hệ thống này sẽ cung cấp các dịch vụ băng tần với tính lu động lớn hơn. I.1.1 Hệ thống thông tin vệ tinh : Những thí nghiệm đầu tiên về thông tin di động đợc cơ quan hàng không và không gian quốc gia Mỹ (Na Sa) chỉ đạo thực hiện. Một số dự án MSS trớc đó đã không bao giờ đợc thực hiện do tính rủi ro về kỹ thuật cũng nh tài chính. Tổ chức hàng hải quốc tế đã nhận ra tiềm năng cung cấp hệ thống thông tin có độ tin cậy cao cho các tầu thuyền của hệ thống vệ tinh. Hệ thống thông tin đang đợc thịnh hành lúc đó sử dụng băng tần cao HF (sóng ngắn) cho thấy độ tin cậy 4 thấp của chúng khi gặp thời tiết xấu mất nhiều thời gian để liên lạc từ ngoài khơi vào đất liền. Tầu thuyền ở ngoài khơi xa thờng biến mất mà không hề có dấu vết. Liên lạc bằng sóng vô tuyến qua vệ tinh cho độ tin cậy cao trong mọi điều kiện thời tiết biết đợc điểm mạnh này của phơng tiện thông tin vệ tinh IMO đã thành lập một tổ chức có tên là cơ quan vệ tinh hàng hải quốc tế (Inmasat ). Cơ quan này đợc thành lập năm 1979 và từ năm 1982 các vệ tinh đợc đặt tại một số trạm đã hoạt động để thực hiện các dịch vụ thông tin sự thành công của các loại hình dịch vụ trên biển đã dẫn đến sự ra đời của các loại hình tơng tự trên đất liền và trên không trung làm tăng sự phát triển của hệ thống MSS những năm 90 hệ thông thông tin khu vực đợc giới thiệu nh hệ thống OmniTracs và EutelTracs ở Mỹ và châu Âu, đặc biệt là hệ thống AMSC ở Mỹ và Canada, Optus ở Uc và một số hệ thống khác ở Nhật. Các nghiên cứu về các quỹ đạo không địa tĩnh (GEOs) đợc thực hiện lần đầu tiên vào những năm 60 đó là vào những thời điểm rất khó khăn để có thể phóng vệ tinh lên (GEO) vì thế các quỹ đạo thấp hơn đợc xem là hợp lý kế đó GEO (quỹ đạo địa tĩnh) đã trở thành sự lựa chọn số 1 bởi những u thế ngày càng tăng. Non-GEOs vẫn còn đợc dùng trong 1 số ứng dụng riêng biệt nh đo lờng từ xa, do thám quân sự hay trắc địa. Ngành quốc phòng cũng quan tâm nhiều đến các ứng dụng của hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp đến cuối những năm 80 một nhóm nghiên cứu thuộc một trờng đại học ở Anh đã nghiên cứu khả năng triển khai nhóm vệ tinh quỹ đạo tầm thấp cho hệ thống thông tin di động và đã đa ra kết luận rằng những hệ thống này hoàn toàn có tính khả thi so với hệ thống vệ tinh địa tĩnh và điều này có thể thực hiện chỉ trong 1 thập kỷ, chỉ một năm sau Motorola đã công bố dự án hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp (LEO) cung cấp dịch vụ truyền âm thanh qua máy điện thoại cầm tay điều này đã khởi nguồn cho một loạt các hoạt động gây chấn động trong ngành thông tin vệ tinh và trong vòng 3 năm sau hàng loạt các công ty và tổ chức đã công bố những dự án tơng tự hầu hết đều tập trung vào việc sử dụng nhóm vệ tinh không GEOs. Đang chú ý hơn cả trong các dự án này là hệ thống MEO của Inmasat nhng do một công ty t nhân có tên là ICO Global 5 systems limied thực hiện và hệ thống LEO nổi tiêng vói thơng hiệu Globalstas giữa những năm 90 các dự án điện thoại vệ tinh cầm tay sử dụng GEOs đã đợc công bố. Những dự án này có kế hoạch triển khai hàng trăm trạm thu phát với những máy phát có công suất lớn nhằm bù lại độ cao tơng đối lớn của GEO có một điều thú vị rằng chỉ vài năm trớc hệ thống địa tĩnh này đã bị từ bỏ. Tiếp đó là một loạt các hệ thống thông tin cá nhân (PCSs) dùng mạng cố định với các sản phẩm FSS đã lấn áp hầu hết mạng thuê bao của MSS. Hầu hết các hệ thống FSS đều hoạt động ở băng tần 20-30Ghz và ở nhiều quỹ đạo. Phần lớn các nhà thiết kế của các hệ thống vệ tinh này đều quan tâm đến lợi ích thu đợc từ sự hợp nhất 2 hệ thống vệ tinh và hệ thống mặt đất và việc kết nối này sẽ mở rộng hơn nữa hệ thống mạng các tổ chức quốc tế đề ra các tiêu chuẩn và các khái niệm cho các hệ thống mặt đất thế hệ thứ 3 bắt đầu xem xét vai trò của các hệ thống vệ tinh trong các hệ thống tơng lai. Ngời ta cũng hiểu rằng hệ thống tế bào vẫn đợc tập trung nhiều ở những vùng đông dân c do đó những hệ thống tơng lai này sẽ kết hợp các giao diện để tạo nên khả năng hoạt động rộng khắp của cả 2 hệ thống vệ tinh và mặt đất. Bên cạnh đó vào những năm 90 công nghệ dẫn đờng vệ tinh cho cá nhân và di động vẫn lớn mạnh không ngừng giá của các thiết bị dùng công nghệ GPS giảm xuống thấp tới mức hầu hết mọi ngơi đều sử dụng đ- ợc một số ứng dụng khác kết kợp khả năng dẫn đờng và liên lạc cũng đợc phát triển các hệ thống GEO. MSS đã đa dẫn đờng vào nh 1 dịch vụ giá trị gia tăng. Tiến bộ nổi bật là việc giới thiệu một mạng vệ tinh có thể truyền trực tiếp tới các thuê bao cá nhân ngời ta hy vọng rằng hệ thống này sẽ trở lên phổ biến vào đầu thập kỷ này. Gần đây nhờ vào sự phát triển của ngành quảng cáo công nghệ đã thâm nhập vào đời sống cộng đồng trong lĩnh vực thông tin và toàn cầu hoá nền kinh tế. I.1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh Các thành phần chính của thông tin vệ tinh di động đợc trình bầy ở (Hình I.3) hệ thống này cung cấp dịch vụ cho các thuê bao ở các vùng phủ sóng đợc xác định trớc các thuê bao này liên lạc với các thuê bao di động hoặc thuê bao 6 cố định thông qua một trong những vệ tinh có thể nhìn thấy đợc. Các thuê bao thuộc mạng cố định liên lạc qua các trạm cố định đợc gọi là các tổng đài cửa ngõ có thể tải đợc rất nhiều kênh liên lạc các máy di đông có thể đặt trên các phơng tiện nh tầu thuyền, máy bay, xe tải hoặc có thể mang theo bên ngời. Tuỳ từng vùng phủ sóng và ứng dụng phần không gian gồm 1 hay nhiều vệ tinh. Đo lờng từ xa và các tram điều khiển ở mặt đất dùng để theo dõi và điều khiển vệ tinh tạo thành một phần của phần không gian để đơn giản hoá các đầu cuối di động ngời ta đã chuyển mọi tính phức tạp sang phần không gian, do đó các vệ tinh sẽ lớn và phức tạp hơn một vệ tinh địa tĩnh 3-4kw với 5-10 vùng phủ là loại đặc trng ở thế hệ thứ 2 và ở thế hệ thứ 3 là 5kw với 100-200 vùng phủ sóng nhng khó khăn chính trong việc cung cấp hệ thống thông tin di động vệ tinh là do môi trờng truyền sóng và kích thớc máy di động nhỏ. 7 SCC NCC BMC MSC VLR VLRHLRHLR Mạng di động mặt đất Mạng cố định mặt đất Hình I.3 Các thành phần chính của một hệ thống thông tin vệ tinh di động hiện đại f 1 f 1 Vùng phục vụ Tần số tái sử dụng Tín hiệu Đường phục vụ Thông tin kết nối Kết nối với Anten Vệ tinh chuyển tiếp 8 Nh ta đã đề cập ở trên hệ thống vệ tinh thế hệ 1 và 2 đã cung xấp các dịch vụ có liên quan đến các máy di động tơng đối lớn. Thế hệ thứ 3 còn có tên là hệ thống siêu địa tĩnh cung cấp các dịch vụ thoại hoặc đa phơng tiện tới các máy cầm tay hay máy để bàn. Trạm điều khiển mạng (WCS) quản lí lu lợng phát quảng bá thông tin mạng, quản lí thiết lập cuộc gọi và các tài nguyên vô tuyến khi thu đợc yêu cầu gọi WCS tìm và gán kênh từ tập kênh của nó khi hết cuộc gọi thì trả lại kênh. Bộ ghi đơn vị thờng trú (HLR) và bộ ghi đơn vị tạm trú (VLR) quản lí sự di chuyển của thuê bao trong tầm điều khiển mạng (NCC) quản lí mạng còn trong tầm điều khiển vệ tinh (SCC) quản lí và điều khiển vệ tinh . Trung tân quản lí kinh doanh có trách nhiệm tính cớc và chức năng kinh doanh khác. Cấu trúc của các hệ thống vệ tinh không địa tĩnh phức tạp hơn do s di chuyển của các vệ tinh có liên quan đến ngời dùng vì thế một cuộc gọi có thể đợc liên kết bằng rất nhiều đờng và vệ tinh phụ thuộc vào vệ tinh và vùng phủ sóng, sự định tuyến lại vùng đợc gọi nh một sự chuyển giao có liên quan đặc biệt tới các dịch vụ tơng tác sự định tuyến của cuộc gọi trong mạng có thể có đ- ợc bằng một số biện pháp kỹ thuật. Cuộc gọi có thể định tuyến thông qua các liên kết liên vê tinh hoặc qua một hoặc nhiều lần thu phát của các liên kết vệ tinh mặt đất. Hình I.4a và I.4b chỉ ra cấu trúc của hệ thống vệ tinh không địa tĩnh triển khai các thu phát vệ tinh mặt đất và kết nối liên vệ tinh hệ thống Inidum triển khai kết nối liên vệ tinh trong khi hệ thống ICO dùng định tuyến mặt đất. Đối với hệ thống lu trữ rồi mới truyền sự phủ sóng liên tục xẩy ra là chấp nhận đợc. Một thông điệp đợc lu tại trạm mặt đât hoặc các bộ đệm vệ tinh và đợc gửi đi khi điểm đến đợc nhìn thấy. 9 Hình I.5a và I.5b biểu diễn các thành phần chính của hệ thống lu rồi phát với các bộ đệm trên mặt đất kết cấu của hệ thống vệ tinh bị ảnh hởng bởi các yêu cầu dịch vụ và một số các vấn đề kỹ thuật có liên quan một số đợc tóm tắt nh sau + Quỹ đạo Quỹ đạo đợc phân loại theo độ cao độ nghiêng độ lệch tâm độ cao quyết định diện tích phủ sóng của vệ tinh, vệ tinh ở độ cao hơn thì bao chùm một diện tích rộng hơn. Độ nghiêng ảnh hởng đến phạm vi bao phủ lớn nhất, nhỏ nhất 10 Constellation Vệ tinh thứ N Trạm cố định Định tuyến mặt đất a) b) Constellation Dữ liệu cơ sở từ xa Liên kết giữa các vệ tinh Vệ tinh thứ N Hình I.4 . Phần II. Nghiên cứu cấu trúc của hệ thống thông tin di động vệ tinh. 1 Chơng I Sự phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh di động I. Sự phát triển của ngành. tiến. Cấu trúc của hệ thống thông tin di động vệ tinh nó sẽ đem đến cho mạng viễn thông một sự phát triển vợt bậc. Từ khi vệ tinh ra đời thì cấu trúc của hệ