Tính đường truyền cho hệ thống thông tin VINASAT

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  - - CHU TUẤN LINH TÍNH ĐƢỜNG TRUYỀN CHO HỆ THỐNG THƠNG TIN VINASAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN CHU TUẤN LINH TÍNH ĐƢỜNG TRUYỀN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VINASAT Chuyên ngành : Vật lý Vô tuyến Điện tử Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Viết Kính Hà nội - 2012 MỤC LỤC DANH MụC HÌNH Vẽ DANH MụC CHữ VIếT TắT MỞ ĐẦU CHƢƠNG :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống vệ tinh 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh 1.3 Một số đặc điểm thông tin vệ tinh : 12 1.4 Các dạng quỹ đạo vệ tinh .13 1.5 Các băng tần cho thông tin vệ tinh 15 Tóm Tắt chương : 20 CHƢƠNG : ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN VỆ TINH VINASAT 21 2.1 Thông tin vệ tinh VINASAT-1 22 2.2Các tiêu kỹ thuật vệ tinh VINASAT-2 29 2.3 So sánh vệ tinh Vinasat-1 Vinasat-2 31 2.4 Các dịch vụ cung cấp vệ tinh VINASAT-1&2 32 Tóm Tắt chương : 37 CHƢƠNG : TÍNH TỐN ĐƢỜNG TRUYỀN THƠNG TIN VỆ TINH KHI CĨ NHIỄU 38 3.1 Phân tích đường truyền tuyến lên 38 3.2 Phân tích đường truyền tuyến xuống 41 3.3 Các suy hao ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn 46 3.4 Các biện pháp nâng cao chất lượng dịch vụ 52 3.5 Nhiễu thông tin vệ tinh 53 Tóm Tắt chương : 59 CHƢƠNG : TÍNH TỐN ĐƢỜNG TRUYỀN THƠNG TIN VỆ TINH KHI CÓ NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH LÂN CẬN CHO VỆ TINH VINASAT-1 60 4.1 Nhắc lại số công thức : 60 4.2 Tính tốn cho vệ tinh Vinasat 64 4.3 Mơ chất lượng tín hiệu sử dụng công nghệ DVB-S2 66 4.4 Kết mô 67 4.5 Phân tích ảnh hưởng nhiễu vệ tinh lân cận tới đường truyền thông tin vệ tinh 68 4.6 Xây dựng phần mềm tính chất lượng đường truyền thơng tin vệ tinh có kể tới nhiễu vệ tinh lân cận 72 Tóm Tắt chương : 73 KếT LUậN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHụ LụC 1: CODE CủA CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TỐN 76 Danh mục hình vẽ Hình 1: Cấu trúc hệ thống TTVT [8] Hình 1.2: Phân đoạn mặt đất 11 Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo vệ tinh 13 Hình 1.4: Sự phụ thuộc hấp thụ khí vào tần số 16 Hình 2.1:Phân bố phổ tần số băng tần C 23 Hình 2.2: Sơ đồ phân bổ tần số băng Ku 27 Hình Sơ đồ phân bổ tần số băng Ku [3] 29 Hình 2.4: Dịch vụ VSAT 34 Hình 2.5: Truyền dẫn cho mạng Internet qua vệ tinh 34 Hình 2.6: Mơ hình dịch vụ Kênh th riêng 35 Hình 2.7: Dịch vụ Mobile trunking qua vệ tinh 35 Hình 2.8: Phát hình quảng bá qua vệ tinh 36 Hình 2.9: Đào tạo từ xa qua vệ tinh 36 Hình 2.10: Phát hình lưu động 37 Hình 3.1: Nhiễu vệ tinh lân cận 56 Hình 3.2:Nhiễu vệ tinh lân cận chỉnh anten phát không 56 Hình 3.3: Khắc phục nhiễu vệ tinh lân cận chỉnh anten phát khơng 57 Hình 3.4 : Nhiễu vệ tinh lân cận công suất búp sóng phụ lớn 57 Hình 3.5 : Nhiễu vệ tinh lân cận búp sóng q lớn 58 Hình 3.6 : Nhiễu vệ tinh lân cận trùng đường đẳng mức 58 Hình 4.1 : Kết mô chất lượng tuyến thông tin vệ tinh 67 Hình 4.2: Kết mô chất lượng tuyến TTVT sau điều chỉnh 67 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tỷ số lượng bit cường độ tạp âm vào C/I 69 Hình 4.4: Sự phụ thuộc BER vào tỷ số C/I với băng thông R=2,048mbps 70 Hình 4.5: Sự phụ thuộc E/No vào tỷ số C/I với băng thông R=3,072mbps 70 Hình : Sự phụ thuộc C/I vào EIRP trạm gây nhiễu 71 Hình 4.7: Giao diện nhập số liệu phần mềm 73 Hình 4.8: Giao diện kết phần mềm 73 D BER Bit Error rate C/I Carrier to noise C/No C/No C/T C/T DVB-S2 Eb/No EIRP Digital Video Broadcas Satellite Second Gene Eb/No Equivalent isotropic power G anten Antenna Gain G/T G/T GEO GEO-stationary earth HEO Highly elliptical orbit HPA High Power Amplifier ISP Internet Service Provid ITU International Telecommunication Un LEO Low earth orbits LNA Low Noise Amplifier MEO Medium Earth orbit NOC Network Operations C SES Satellite Earth Station SFD Saturated Flux Density TTVT VNPT VSAT Viet Nam Post and Telecommunications G Very small aperture te VTI Vietnam Telecom Inter MỞ ĐẦU Thông tin vệ tinh trở thành phương tiện thông tin phổ biến giới Việt Nam Ngày nay, thấy thơng tin vệ tinh nhiều lĩnh vực, truyền hình, truyền số liệu, điện thoại vệ tinh Với ưu điểm vùng phủ sóng lớn, dịch vụ cung cấp đa dạng khiến thông tin vệ tinh trở thành phương tiện hữu hiệu kết nối thông tin vùng địa lý với nhau, đặc biệt vùng xa xôi biên giới, hải đảo nơi phương tiện thơng tin khác khó đạt đến Với ưu trên,thông tin vệ tinh phát triển mạnh mẽ giới, Việt Nam không đứng ngồi xu Tuy nhiên, việc phát triển hệ thống thông tin vệ tinh dẫn tới số lượng vệ tinh quỹ đạo tăng nhanh, thực tế bốn năm ( từ năm 2008-2012) Việt Nam đưa vào hoạt động hai vệ tinh Vinasat-1 Vinasat Do vấn đề Tính tốn đường truyền cho hệ thống thơng tin vệ tinh (khi có kể tới nhiễu vệ tinh lân cận) cấp thiết để đảm báo chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng Luận văn trình bày phương pháp tính, khảo sát ảnh hưởng nhiễu kênh lân cận tới chất lượng tuyến thông tin vệ tinh xây dựng phần mềm tính tốn chất lượng kênh thơng tin vệ tinh kể tới nhiễu kênh lân cận Ngoài ra, tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Viết Kính tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tơi hồn thành luận văn CHƢƠNG :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Lịch sử phát triển hệ thống vệ tinh Ngày vệ tinh sử dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu, thơng tin, truyền hình có vai trị ngày quan trọng Để hiểu rõ tầm quan trọng hệ thống thông tin vệ tinh, ta điểm qua lịch sử phát triển [9]: - Vào cuối kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đưa khái niệm tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng Ông đưa ý tưởng tên lửa đẩy nhiều tầng, tàu vũ trụ có người điều khiển thăm dị vũ trụ - Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng - Tháng năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý tiếng người Anh đồng thời tác giả mơ hình viễn thơng thơng tin toàn cầu, đưa ý tưởng sử dụng hệ thống gồm vệ tinh địa tĩnh dùng để phát quảng bá toàn giới - Tháng 10 năm 1957 lần giới, Liên Xơ phóng thành cơng vệ tinh nhân tạo SPUTNIK – Đánh dấu kỷ nguyên thông tin vệ tinh - Năm 1958 điện phát qua vệ tinh SCORE Mỹ, bay quỹ đạo thấp - Năm 1963 vệ tinh địa tĩnh có tên SYNCOM, có độ cao bay 36000 km truyền hình trực tiếp vận hội Olympic Tokyo từ Nhật Mỹ - Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT - Năm 1965 đời hệ thông TTVT thương mại INTELSAT – với tên gọi Early Bird - Năm 1965 Liên Xơ phóng vệ tinh MOLNYA lên quỹ đạo elip - Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô nước XHCN - Năm 1972 – 1976 Canada, Mỹ, Liên Xô, Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa - Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT - Năm 1984 Nhật Bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh - Năm 1987 thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh - Từ 1999 đến nay, đời ý tưởng hình thành hệ thống thơng tin di động thơng tin băng rộng tồn cầu sử dụng vệ tinh Các hệ thống điển GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE, TELEDESIC Sự phát triển hệ thống thông tin vệ tinh Việt Nam : - Năm 1980 khánh thành trạm TTVT mặt đất HOASEN – nằm hệ thống TTVT INTERPUTNIK, đặt làng DO LỄ - KIM BẢNG – HÀ NAM - Năm 1984 khánh thành trạm mặt đất HOASEN – đặt TPHCM - Lúc 5h50 rạng sáng ngày 19/4, tên lửa Ariane Arianespace kết thúc hành trình đưa Vinasat-1 Việt Nam vào quỹ đạo - Được phóng thành cơng lên khơng gian vào lúc 5h13 phút ngày 16/5/2012 (theo Việt Nam), vệ tinh VINASAT-2 đưa từ quỹ đạo chuyển đổi đến quỹ đạo địa tĩnh (cách trái đất gần 36.000km) đến ngày 21/5, vệ tinh VINASAT-2 định vị thành công vị trí quỹ đạo 131,8 độ Đơng 1.2 Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc hệ thống thơng tin vệ tinh trình bầy hình 1.1, bao gồm phần khơng gian trạm mặt đất Phần không gian hiểu vệ tinh toàn thiết bị phục vụ điều khiển theo dõi vệ tinh Phần mặt đất bao gồm trạm mặt đất, chúng thường kết nối tới thiết bị đầu cuối sử dụng thông qua mạng mặt đất với trạm nhỏ VSAT chúng kết nối trực tiếp Sóng vơ tuyến phát từ trạm mặt đất vệ tinh tiếp nhận, gọi đường lên (Uplink)/ Vệ tinh chuyển tiếp sóng mang tới trạm thu, gọi đường xuống (Downlink) PHẦN KHÔNG GIAN Trạm Điều Khiển Đường lên (Uplink) Đường xuống (Downlink) Trạm phát PHẦN MẶT ĐẤT H ì n h : C ấ u t r ú c h ệ t h ố n g T T V T [ ] Theo bảng phụ lục tiêu vệ tinh Vinasat ta có G/Tsat dB/K = -0.3 Vậy C/Tup = 25.6 – 200.08 -0.3 = -174.78 (dB/K) Hay C/Tup = 10-17.47 (W/K) - Tính C/Tdown Tương tự ta có C/Tdown = EIRPsat_dBW – L + G/Ttram_thu Với G/Ttram_thu = 5dB/K Vậy C/Tdown = 44.2 – 194.7+5= -145.50 (dB/K) hay C/Tdown = 10-14.55 (W/K) - Tính C/Ttotal Như trình bày, ta có = + C/TCO = C/ I + 10log (BW1) + - 228,6 Ở BW1 băng tần sóng mang chiếm (ở 873.8 KHz) Vậy C/TCO = 34.99 + 10 log10(36x106) – 228.6 = -118.04 (dB/K) hay C/TCO = 10-11.80 (W/K) Vậy (C/Ttotal )-1 = (C/Tup)-1 + (C/Tdown )-1 + (C/TCO )-1 =  -14.55 )-1+(10-11.80 )-1 = 2.9548*1017 (10-17.47 )-1 +(10 -18 C/Ttotal = 3.3844*10 (W/K)  C/Ttotal = 10*log10(3.3844*10 - -18 ) = -174.70 (dB/K) Tính C/N0 C/N0 = C/Ttotal - 10 log K = -174.70 + 228.6 =53.90 dBHz - Tính tỷ số lượng bit cường độ tạp âm tuyến Es / N0 = C/N0 – 10 log R Nếu ta xét tuyến có tốc độ bit 2,048 mbps R=2.048 *10 bps  Es / N0 = 53.90 – 10*log10 (2.048*10^6) = - dB 4.3 Mơ chất lƣợng tín hiệu sử dụng công nghệ DVB-S2 4.3.1 Giới thiệu công nghệ DVB-S2 DVB-S2 tiêu chuẩn hệ thống tiêu chuẩn DVB cho ứng dụng vệ tinh băng rộng, với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131% so với công nghệ DVB-S [7] Kỷ nguyên truyền dẫn thông tin vệ tinh thực có hiệu vào năm 80 Khi đó, truyền dẫn qua vệ tinh tiết kiệm băng thông giá thành sử dụng kiểu điều chế QPSK BPSK Những năm 90, công nghệ phát quảng bá qua vệ tinh phát triển rộng rãi sau ETSI công bố chuẩn DVB-S đầu tiên, kết hợp điều chế QPSK với mã sửa lỗi hướng truyền (Viterbi Reed-Solomon) Cuộc cách mạng mã sửa lỗi kết hợp với cấu hình điều chế loạt đặc tính tảng làm nên tiêu chuẩn DVB-S2 Đây tiêu chuẩn tiêu chuẩn ETSI truyền dẫn thông tin vệ tinh Kiểu điều chế khép lại đường tiệm cận giới hạn mặt lý thuyết (giới hạn shannon) DVB-S2 với hiệu suất sử dụng băng thông tăng từ 30% đến 131% so với DVB-S kỳ vọng đem lại hiệu to lớn ứng dụng, với khả truyền dẫn đồng thời nhiều dịch vụ có tốc độ lớn truyền hình có độ phân giải cao HDTV, Internet tốc độ cao, truyền số liệu ứng dụng chuyên nghiệp… phát đáp vệ tinh mà hệ thống DVB-S trước khó thực DVB-S2 ví công cụ cho dịch vụ tương tác: Điều chế mã hố cao cấp, truyền tải dạng (format) liệu Mục tiêu công cụ DVB-S2 hệ thống đơn phục vụ cho ứng dụng khác 4.3.2 Giới thiệu module commdvb-s2 Matlab để mô đường truyền vệ tinh sử dụng công nghệ DVB-S2 Các tham số input [11]: Es/N0 tỷ số lượng ký hiệu (symbol) cường độ tạp âm 66 4.4 Kết mơ Hình 4.1 : Kết mô chất lượng tuyến thông tin vệ tinh Từ kết ta thấy tỷ lệ lỗi Bit BER lớn 0.28 Như với đường truyền sử dụng công nghệ DVB-S2 cho kết BER lớn, đường truyền xấu gây ảnh hưởng tới chất lượng khách hàng Giải pháp : Khi tăng EIRP trạm phát thêm dB điều kiện thời tiết tốt, suy hao từ trạm mặt đất tới vệ tinh mong muốn khoảng 190 dB tỷ số lượng bít cường độ tạp âm tính ~ 0.8 Kết mơ với Matlab Hình 4.2: Kết mơ chất lượng tuyến TTVT sau điều chỉnh 67 Dễ thấy tỷ lệ lỗi bit giảm 280 lần Điều cho thấy cải thiện đáng kể chất lượng tuyến thông tin vệ tinh 4.5 Phân tích ảnh hƣởng nhiễu vệ tinh lân cận tới đƣờng truyền thông tin vệ tinh a.Phân tích ảnh hưởng tỷ số cơng suất sóng mang tín hiệu hữu ích nhiễu C/I tới tỷ lệ lỗi bit (BER) Như phần trước trình bày, chất lượng tuyến thơng tin vệ tinh kể tới nhiễu vệ tinh lân cận phản ánh qua tham số C/I - tỷ số cơng suất sóng mang tín hiệu hữu ích nhiễu Các vệ tinh lân cận gây nhiễu ảnh hưởng tới tỷ số C/I – thể mức độ can nhiễu kênh lân cận- Tỷ số cao chất lượng tuyến vệ tinh tốt Tỷ số C/I nhỏ dẫn tới chất lượng đường truyền kém, làm phát sinh bit lỗi (thể qua BER) gói tin Dưới ta khảo sát phụ thuộc tỷ số lượng bit cường độ tạp âm với tuyến xét có R=2,048 mbps Vệ tinh gây nhiễu (130+/- 0.5) Vệ tinh Vinasat1 (132+/- 0.5) EIRPdBW = -12.6 dBW EIRPdBW = 40 G3 = 27 dBW G2 = 21 dBW d4 = 36957 km L4 = 190.26 dB G2m = 21 dBW 6422.5 MHz d5 = 36957 km 6500 MHz L5 = 210 dB d1 = 37036 km θi= 1.5 θw= 1.5 G1 (θi)= 26.46 dBW L1 = 190.08 dB EIRPdBW = 24.6 EIRPdBW = 16 G1 = 40 dBW G4 (θw)= 27.46 dBW Trạm phát gây nhiễu Trạm phát mong muốn Trạm thu mong muốn 105E 21 N G/T = 5dB/K Độ rộng dải tần 36x106 Ta có :Es / N0 = C/N0 – 10 log R Mà C/N0 = C/Ttotal - 10 log K = C/Ttotal + 228.6 -1 -1 -1 (C/Ttotal ) = (C/Tup) + (C/Tdown ) + (C/TCO ) -1 = (C/Tup)-1 + (C/Tdown )-1 + (C/ I + 10log (BW) - 228,6) -1 68 Vậy ta có phụ thuộc tỷ số lượng bit cường độ tạp âm vào C/I biểu diễn theo đồ thị sau Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn phụ thuộc tỷ số lượng bit cường độ tạp âm vào C/I Khảo sát ảnh hưởng C/I tới tỷ lệ bit lỗi (BER- Bit error rate) đường truyền vệ tinh khảo sát : C/I 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Đồ thị thể mối quan hệ tỷ số cơng suất sóng mang tín hiệu hữu ích nhiễu (C/I) gây vệ tinh lân cận với BER : 69 Hình 4.4: Sự phụ thuộc BER vào tỷ số C/I với băng thông R=2,048mbps Từ đồ thị ta thấy với đường truyền thông tin vệ tinh có R=2.048 mbps, tỷ lệ C/I gây ảnh hưởng lớn tới chất lượng đường truyền Khi C/I < 5.5 chất lượng đường truyền ( nhiều dịch vụ yêu cầu BER < 10-6 ) Trên thực tế, có nhiều dịch vụ yêu cầu băng thông > 2,048 mbps, yêu cầu với C/I cao Đồ thị thể mối quan hệ C/I E/N0 với đường truyền 3,072 mbps Hình 4.5: Sự phụ thuộc E/No vào tỷ số C/I với băng thông R=3,072mbps Với đường truyền này, C/I >30 cho E/N0 ~ -2.4 tương đương với BER ~0 b.Phân tích ảnh hưởng cơng suất xạ vệ tinh gây nhiễu tới tỷ số C/I 70 Phần ta xét ảnh hưởng tỷ số cơng suất sóng mang tín hiệu hữu ích nhiễu C/I gây vệ tinh lân cận tới chất lượng đường truyền Tiếp theo làm rõ mối quan hệ vệ tinh gây nhiễu tới tỷ số C/I, qua phản ánh đầy đủ ảnh hưởng vệ tinh lân cận tới hệ thống vệ tinh xét Ở ta khảo sát theo công suất xạ đẳng hướng vệ tinh gây nhiễu tới trạm xét Như mục 4.2 trình bảy, ta tính C/I sau Cuplink= (EIRP matdat + G tram_matdat_mongmuon - L1 + Gvetinh_mongmuon ) ) Iuplink= (EIRPmatdat_gaynhieu + G tram_matdat_gaynhieu(θ - L2 + Gvetinh_mongmuon) Tương tự ta có : Cdownlink = (EIRP vetinh_mongmuon + G tramthu_matdat_mongmuon - L3 + Gvetinh_mongmuon ) Idownlink = (EIRPvetinh_gaynhieu + G tram_matdat (θ) - L4 + Gvetinh_gaynhieu )  -C/Iup/10 C/Itotal = -10* lg(10 + 10 -C/Idown/10 ) [dB] Như vậy, với tham số cho, ta có phụ thuộc tỷ số C/I vào công suất xạ đẳng hướng EIRP trạm gây nhiễu Hình : Sự phụ thuộc C/I vào EIRP trạm gây nhiễu Như EIRP trạm gây nhiễu nhỏ (10 dBW) tỷ số C/I giảm nhanh dẫn tới giảm chất lượng đường truyền Như 71 đồ thị hình 4.6.3 ta thấy C/I