Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh ứng dụng cho intrernet vệ tinh băng thông rộng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRƯƠNG QUỐC ĐẠT NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH, ỨNG DỤNG CHO INTERNET VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT VIỄN THƠNG Bình Định - Năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRƯƠNG QUỐC ĐẠT NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH, ỨNG DỤNG CHO INTERNET VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông Mã số : 8520208 Người hướng dẫn: TS NGUYỄN ĐỖ DŨNG i LỜI CAM ĐOAN Tên là: Trương Quốc Đạt, học viên lớp cao học K22 – Kỹ thuật viễn thông – Trường đại học Quy Nhơn ( 2019- 2021) Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu hệ thống thông tin vệ tinh, ứng dụng cho Internet vệ tinh băng thông rộng” Thầy giáo TS Nguyễn Đỗ Dũng hướng dẫn, cơng trình nghiên cứu thân thực hiện, dựa hướng dẫn Thầy giáo hướng dẫn khoa học tài liệu tham khảo trích dẫn Tơi xin chịu trách nhiệm với lời cam đoan Quy Nhơn, ngày 24 tháng năm 2021 Tác giả luận văn Trương Quốc Đạt ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MUC HÌNH VẼ x LỜI MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG TRUY CẬP INTERNET 1.1 MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.2.1 Đặc điểm hệ thống thông tin vệ tinh 1.2.2 Cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin vệ tinh 1.3 NGUYÊN LÝ CĂN BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 12 1.3.1 Nguyên lý thông tin vệ tinh 12 1.3.2 Các đặc điểm thông tin vệ tinh: 14 1.3.3 Hệ thống thông tin vệ tinh 15 1.3.4 Tần số sử dụng thông tin vệ tinh 16 1.4 ỨNG DỤNG THÔNG TIN VỆ TINH CHO INTERNET VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG 16 1.4.1 Giới thiệu 16 1.4.2 Mạng kết nối 17 1.4.3 Mạng truy cập 18 1.4.4 Thế hệ Ka-band 18 1.4.5 Mạng vệ tinh băng thông rộng 20 1.4.6 Hệ thống vệ tinh broadband toàn cầu 26 1.5 KẾT LUẬN 34 Chương 35 iii NHIỄU, CAN NHIỄU VÀ TÍNH TỐN DỰ TRỮ TUYẾN 35 2.1 MỞ ĐẦU 2.2 NHIỄU, CAN NHIỄU 35 2.2.1 Nhiễu trắng 35 2.2.2 Nhiễu nhiệt 35 2.3 NHIỆT ĐỘ NHIỄU CỦA ANTEN 36 2.4 TỶ SỐ TÍN HIỆU TRÊN NHIỄU TẠI ĐẦU VÀO MÁY THU 38 2.4.1 Định nghĩa 38 2.4.2 Các biểu thức tính tốn C/N0 đầu vào thiết bị thu 38 2.5 TỶ SỐ C/N0 ĐỐI VỚI MỘT KÊNH TRUYỀN TRẠM MẶT ĐẤT – TRẠM MẶT ĐẤT 39 2.5.1 Biểu thức (C/N0)  trường hợp khơng có can nhiễu từ hệ thống khác 39 2.5.2 Biểu thức (C/N0)  trường hợp có can nhiễu 39 2.6 VÍ DỤ TÍNH GIÁ TRỊ TỶ SỐ C/N0 CHO TOÀN TUYẾN KÊNH TRUYỀN (GIỮA HAI TRẠM MẶT ĐẤT QUA BỘ PHÁT ĐÁP VỆ TINH) 40 2.7 CÁC NGUYÊN TẮC CƠ BẢN VỀ TRUYỀN TÍN HIỆU 42 2.7.1Công suất xạ đẳng hướng hiệu 44 2.7.2 Mật độ dịng cơng suất 44 2.7.3 Độ lợi ăng ten 45 2.7.4 Mất đường dẫn không gian trống 48 2.7.5 Phương trình liên kết cho công suất nhận 50 2.8 NHIỄU HỆ THỐNG 52 2.9 KẾT LUẬN 53 CHƯƠNG 54 GIAO THỨC TRONG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG RỘNG TRUY CẬP INTERNET 54 3.1 GIỚI THIỆU 54 3.2 VỆ TINH IP 54 3.2.1 Quản lý lưu lượng IP qua vệ tinh 55 3.2.2 Cơ chế QoS 57 3.2.3 Bảo mật IP vệ tinh 67 3.2.4 Đa phương tiện IP vệ tinh 72 iv 3.2.5 Vệ tinh IP tương tác 74 3.3 VỆ TINH TCP 77 3.3.1 Đặc điểm liên kết vệ tinh ảnh hưởng đến TCP 78 3.3.2 Giao thức TCP 80 3.3.3 Cải tiến TCP cho mạng vệ tinh 84 3.3.4 Proxy nâng cao hiệu suất (PEP) 89 3.4 KẾT LUẬN TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 98 100 4.1 TỔNG KẾT LUẬN VĂN 100 4.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 4.2.1 Hướng phát triển đề tài : 100 4.2.2 Tương lai phát triển thông tin vệ tinh băng thông rộng truy cập Internet 103 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 v THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng việt APC Adaptive Predictive Coding Mã hóa dự đốn thích nghi ARQ Automatic Repeat Request Yêu cầu truyền lại tự động ATM Asynchronous Transfer Mode Truyền liệu không đồng Additive White Gaussian Nhiễu Gaussian trắng cộng AWGN Noise BASK Binary Amplitude Shift Khóa dịch biên nhị phân Keying BER Bit Error Rate Tỷ số lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân Customer Information Hệ thống quản lý thông tin Management System khách hàng CPM Continous Phase Modulation Điều chế pha liên tục CRC Cyclic Redundancy Check Mã kiểm tra độ dư vịng Differential Binary Phase Khóa dịch pha nhị phân – vi Shift Keying phân CIMS D-BPSK DE-BPSK Differentially Encoded-BPSK Khóa dịch pha nhị phân mã hóa vi phân DES Data Encryption Standard Mật mã chuẩn DNS DSS The Domain Name System Direct Spreading Sequence) Hệ thống tên miền Phổ dãy trực tiếp vi Tốc độ liệu nâng cao cho phát triển GSM EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution EIRP Equivalent Isotropic Radiated Power Công suất xạ đẳng hướng tương đương ES Earth Station Trạm mặt đất FTP FCC FDM GEO File Transfer Protocol Federal Communications Commission Frequnecy Divison Multiplexing Geostationary Orbit Giao thức truyền tệp Ủy ban truyền thông liên bang (Hoa Kỳ) Ghép kênh phân chia theo tân số Quỹ đạo địa tĩnh GSC Global Satellite alliance Liên minh vệ tinh toàn cầu GSO Geostatinary Earth Orbit Quỹ đạo địa tĩnh GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vơ tuyến gói chung GTS GWS HEO IOL IP IDA Ground Tranceiver Subsystem Gateway Subsystem Highly Elliptical Orbit Inter Orbit Links Internet Protocol American Defense Research Institute ISL Inter System Links LEO Low Earth Orbit Hệ thống thu phát mặt đất Hệ thống cổng Quỹ đạo e-lip tầm cao Giữa quỹ đạo với Giao thức internet Viện nghiên cứu Quốc phòng Mỹ Các tuyến kết nối hệ thống với Quỹ đạo mặt đất tầm thấp Thiết bị đầu cuối truyền tin di động MEO Mobile Communication Terminal Medium Earth Orbit MSK Minimum Shift Keing Khóa dịch tối thiểu NCC Network Control Center Trung tâm điều khiển mạng NMS (Network Management Station Trạm quản lý mạng MCT Quỹ đạo mặtđất tầm trung vii PLMN Public Land Mobile Network PRK Phase Reverse Keying QAM Quadrature Amplitude Mạng di động mặt đất cơng cộng Khóa đảo pha Điều chế biên độ cầu phương Modulation SCC SCPC Satellite Control Center Single Channel Per Carrier Trung tâm điều khiển vệ tinh Truyền đơn sóng mang SDLC Syschronous Data Link Communication Giao thức truyền liệu đồng SL satellite Vệ tinh SNMC Service Provider Network Management Center Trung tâm quản lý mạng cung cấp dịch vụ TCP Transmission control protocol Giao thức điều khiển truyền S-PCN Satellite - Personal Communication Network: Mạng thông tin cá nhân vệ tinh SPD Saturated Power Density Mật độ thông lượng công suất bão hoà SSPA Solid State Power Amplifier khuếch đại dùng bán dẫn S-TCH Satellite - Traffic Channels Kênh lưu lượng vệ tinh S-TCH/E Satellite Eight - Rate Traffic Channel Kênh lưu lượng vệ tinh 1/8 tốc độ S-TCH/F Satellite Full - Rate Traffic Channel Kênh lưu lượng vệ tinh toàn tốc độ S-TCH/H Satellite Half - Rate Traffic Channel Kênh lưu lượng vệ tinh 1/2 tốc độ S-TCH/Q Satellite Quater - Rate Traffic Kênh lưu lượng vệ tinh 1/4 tốc Channel độ viii TCE Traffic Channel Equipment Thiết bị kênh lưu lượng TDM Time Division Multiple Ghép kênh phân chia theo thời gian TVRO Television Receiver Only Chỉ dùng thu sóng truyền hình TWTA Travelling Wave Tube Amplifier Khuếch đại dùng đèn sóng chạy VSAT Very Small Aperture Terminal Thiết bị đầu cuối có độ nhỏ 91 xứng hoạt động khác theo hướng khác Hướng xác định theo liên kết theo giao thức, ví dụ hướng luồng liệu TCP luồng ACK TCP PEP không đối xứng thường sử dụng điểm mà đặc tính liên kết giao thức bên PEP khác Các PEP phân loại tùy thuộc vào mức độ minh bạch chúng Việc triển khai PEP hồn tồn minh bạch hệ thống đầu cuối, điểm cuối vận chuyển và/hoặc ứng dụng Trong trường hợp này, việc sử dụng PEP không yêu cầu sửa đổi hệ thống đầu cuối PEP yêu cầu sửa đổi hai người dùng cuối Trong trường hợp này, PEP không minh bạch 3.3.4.1 Giả mạo TCP Có hai chiến lược thiết kế PEP: TCP giả mạo TCP tách rời Trong hai trường hợp, mục tiêu để bảo vệ phân đoạn mạng vệ tinh có độ trễ cao mát khỏi phần lại mạng, cách minh bạch ứng dụng Mục đích để người dùng cuối khơng nhận biết cổng trung gian, ngồi việc cải thiện hiệu suất Thuật ngữ giả mạo TCP sử dụng cho chức TCP PEP Trong TCP Giả mạo định tuyến (cổng vào) gần nguồn gửi lại ACK cho phân đoạn TCP để tạo cho nguồn ảo giác đường dẫn trễ ngắn để tăng tốc độ truyền liệu người gửi Sau đó, ngăn chặn luồng xác nhận thực từ máy chủ vệ tinh chịu trách nhiệm gửi liệu bị thiếu 3.3.4.2 Tách TCP Tách TCP phân tầng TCP lược đồ kết nối TCP chia thành nhiều kết nối TCP, với kết nối đặc biệt chạy qua liên kết vệ tinh Ý tưởng TCP chạy qua liên kết vệ tinh sửa đổi, với kiến thức thuộc tính vệ tinh, để chạy nhanh Bởi kết nối TCP kết thúc, TCP xếp tầng không dễ bị tổn thương đường dẫn khơng đối xứng Nó hoạt động tốt trường hợp ứng dụng tích cực tham gia vào quản lý kết nối TCP, ví dụ: nhớ đệm Web Trong trường hợp khác, TCP phân tách có vấn đề tương tự giả mạo TCP Lược đồ tách hai phân đoạn Kỹ thuật tách hai phân đoạn chia kết nối TCP đầu cuối tới đầu cuối thành hai phân đoạn cách chèn cổng vào phía người gửi thể hình 3.22 Kỹ thuật sử dụng nhiều trường hợp sau: 92 • Các mạng có cấu trúc liên kết hình bao gồm trạm trung tâm (trung tâm) nhiều trạm từ xa sử dụng rộng rãi để phân phối liệu nội dung từ trạm trung tâm; • Cải tiến TCP thường cần thiết theo hướng (từ trung tâm đến điều khiển từ xa); • Có thể khơng khả thi mặt kinh tế đưa cổng vào trạm mặt đất cài đặt phần mềm TCP hỗ trợ tùy chọn mở rộng cửa sổ, v.v vào tất thiết bị đầu cuối PC Trong sơ đồ này, tốc độ truyền liệu từ người gửi TCP tăng cường cách tách đoạn vệ tinh khỏi kết nối TCP ban đầu Nó xuất cho người gửi RTT bị giảm so với TCP tiêu chuẩn Trong split-TCP 2, cổng gửi gói liệu kích thước cửa sổ TCP quảng cáo từ máy thu Nó giải mã kiểm sốt tắc nghẽn tối ưu hóa cho phân đoạn để cải thiện hiệu suất TCP Hình 3.22 Sơ đồ tách hai đoạn Hình 3.23 minh họa mơ hình giao thức cho TCP chia hai đoạn cho ví dụ ATM vệ tinh Trong trường hợp này, việc triển khai TCP tiêu chuẩn cổng/PEP cho phép PEP sử dụng trường hợp hệ thống đầu cuối TCP thiết bị đầu cuối cấu hình cho hoạt động vệ tinh Giữa người dùng cuối cổng kết nối TCP hưởng lợi từ việc tăng cường thông lượng giai đoạn truyền bắt đầu chậm báo nhận cục sớm trình truyền liệu Các cải tiến TCP kích thước cửa sổ ban đầu lớn mở rộng cửa sổ cải thiện hiệu suất qua kết nối TCP có độ trễ truyền dài (Split-TCP 2) 93 Hình 3.23 Mơ hình giao thức cho TCP hai đoạn Sơ đồ tách ba phân đoạn Sơ đồ chia ba phân đoạn chia kết nối TCP đầu cuối thành ba phân đoạn hai cổng Khái niệm tách phân đoạn vệ tinh khỏi phân đoạn mặt đất sử dụng giao thức TCP tối ưu hóa qua liên kết vệ tinh cổng Như minh họa hình 3.24, cổng đặt trạm mặt đất kết nối TCP đầu cuối đến đầu cuối chia thành ba đoạn Trong phân đoạn mặt đất, TCP chuẩn sử dụng để giao tiếp người gửi/người nhận cổng vào TCP Cổng chuyển đổi TCP sang giao thức tối ưu hóa cho liên kết vệ tinh Ưu điểm phương pháp tăng cường TCP đạt mà không cần sửa đổi PC nằm phía người gửi người nhận kỹ thuật khác yêu cầu cài đặt phần mềm TCP Sơ đồ đặc biệt thích hợp cho mạng điểm-điểm, nơi cần tăng cường cho hai chiều, chẳng hạn đường trục ISP Vì cổng phân tích tiêu đề TCP, cần lưu ý tính nâng cao khơng khả dụng mã hóa thực qua phân đoạn TCP Vấn đề xảy kỹ thuật tách hai đoạn Hình 3.24 Sơ đồ tách ba đoạn 94 "Kỹ thuật tách phân đoạn" cải thiện hiệu suất TCP qua liên kết vệ tinh Đặc biệt, hai kết kỹ thuật tách đoạn cho thấy phương pháp cải thiện thơng lượng TCP mức độ lớn Một lợi khác tìm thấy sử dụng mạng vệ tinh với cấu trúc liên kết hình phải lắp đặt cổng vào trạm trung tâm mặt đất Điều cho phép cải thiện tất thông lượng TCP để tải xuống tệp từ trung tâm đến trạm từ xa Hình 3.25 cho thấy mơ hình giao thức để tách TCP ba đoạn Việc sử dụng TCP qua liên kết ATM vệ tinh mang lại số lợi ích triển khai bao gồm việc trì giao thức truyền tải PEP Các cải tiến mở rộng cửa sổ SACK TCP cung cấp hiệu suất thông lượng tốt cho sản phẩm truyền có độ trễ băng thơng cao và/hoặc kênh bị suy giảm Hình 3.25 Mơ hình giao thức cho TCP ba phân đoạn 3.3.4.3 Cơ chế PEP Các chế PEP bao gồm khoảng cách ACK, tái tạo ACK (chưa có nháp), xác nhận cục bộ, truyền cục bộ, đường hầm để kiểm soát định tuyến gói tin, nén tiêu đề, nén tải trọng ghép kênh dựa mức độ ưu tiên Một số môi trường mà PEP sử dụng bao gồm mạng VSAT vệ tinh, mạng WAN không dây (W-WAN) (Di động), mạng LAN không dây (W-LAN), mạng Giao thức ứng dụng khơng dây (WAP), v.v Các đặc điểm việc triển khai PEP chế sử dụng để cải thiện hiệu suất TCP qua liên kết vệ tinh Một số ví dụ chế PEP mô tả Nhiều TCP PEP sử dụng thao tác TCP ACK Một số PEP khác thừa nhận phân đoạn TCP cục để giảm thiểu ảnh hưởng RTT dài tăng tốc độ khởi động chậm, chế sử dụng TCP giả mạo Các xác nhận phủ định cục sử dụng để kích hoạt khơi phục nhanh lỗi cục ACK cục sử dụng PEP với kết nối phân chia Khi ACK cục sử dụng liệu 95 bị xóa sau PEP xác nhận, PEP có trách nhiệm khôi phục liệu Trong trường hợp này, PEP phải sử dụng truyền lại TCP cục cho người nhận Một số PEP thực truyền lại cục chúng không sử dụng xác nhận cục Ví dụ, Snoop tiếp nhận phân đoạn TCP nhận giám sát hệ thống để tìm ACK trùng lặp từ thu Khi nhận ACK trùng lặp, Snoop truyền cục phân đoạn TCP bị từ nhớ cache Để giảm thiểu băng thơng cao khơng đối xứng, số PEP thực lọc tái cấu trúc TCP ACK ACK lọc để không làm tắc nghẽn hướng tốc độ thấp tái tạo phía bên liên kết 3.3.4.4 Ý nghĩa việc sử dụng PEP Các tác động PEP liệt kê Bảo mật đầu cuối đến đầu cuối: Vì PEP cần phải xem gói IP bên số triển khai, tạo IP gói thay mặt cho hệ thống đầu cuối, PEP sử dụng với IP Sec IPSec đường hầm nên sử dụng với PEP làm điểm cuối đường hầm Điều yêu cầu PEP phải người dùng tin cậy Nói chung, chế bảo mật lớp truyền tải (ví dụ: TLS SSL) sử dụng với PEP Chia sẻ tất yếu từ đầu đến cuối: Hầu hết triển khai PEP giữ nguyên trạng Việc triển khai PEP khơng thành cơng, giữ trạng thái "mềm", hỗ trợ không thành công với đường dẫn thay Việc triển khai PEP không thành công mà giữ trạng thái "cứng" (ví dụ: trạng thái cần thiết để hỗ trợ kết nối phân tách) thường khiến kết nối bị lỗi tồn đường dẫn đầu cuối đến đầu cuối thay cho kết nối Độ tin đầu cuối đến đầu cuối: Việc triển khai PEP ảnh hưởng đến độ tin cậy đầu cuối đến đầu cuối kết nối, đặc biệt PEP can thiệp vào xác nhận lớp ứng dụng Các ứng dụng không nên dựa vào xác nhận cấp thấp (ví dụ: TCP) để đảm bảo phân phối từ đầu đến cuối TCP PEP thường không can thiệp vào xác nhận lớp ứng dụng Chẩn đốn lỗi đầu cuối: Sử dụng PEP thay ràng buộc định cấu trúc liên kết định tuyến Định tuyến mức tối ưu yêu cầu để buộc lưu lượng truy cập qua PEP Các đường hầm yêu cầu để buộc lưu lượng truy cập qua PEP, đặc biệt môi trường định tuyến không đối xứng Việc sử dụng PEP với máy chủ di động yêu cầu trạng thái PEP tắt máy chủ di chuyển PEP có khả gây trở ngại cho việc sử dụng công cụ chẩn đốn lỗi đầu cuối 96 3.3.4.5 Ví dụ Hiệu suất Ví dụ TCP PEP: SkyX SkyX sản phẩm TCP-PEP MENTAT Giao thức SkyX tối ưu hóa để cung cấp thơng lượng tối đa qua mạng vệ tinh đáp ứng hiệu với độ trễ vệ tinh, lỗi bit điều kiện băng thông không đối xứng SkyX chạy qua IP sử dụng cổng để nâng cao hiệu suất liên kết vệ tinh đường trục, mạng công ty, mạng VSAT liên kết vệ tinh với mạng cục hỗ trợ 10Mbps 45Mbps Cổng SkyX thể hình 3.26 chặn kết nối TCP từ máy khách chuyển đổi liệu thành Giao thức SkyX để truyền qua vệ tinh Cổng SkyX trang đối diện liên kết vệ tinh dịch liệu trở lại TCP để giao tiếp với máy chủ Cổng kết nối SkyX cung cấp khả nâng cao hiệu suất cho nhiều mạng vệ tinh bao gồm kiến trúc điểm-điểm, điểm-đa điểm lưới đầy đủ SkyX sử dụng thuật tốn truyền lại có chọn lọc hiệu cho xác nhận liệu cửa sổ lớn để loại bỏ phụ thuộc TCP vào BDP, cho phép thơng lượng cao Nó sử dụng thuật toán điều khiển tốc độ để đặt tốc độ truyền cách rõ ràng dựa băng thơng liên kết tối đa hóa thơng lượng SkyX sử dụng tỷ lệ nén liệu lên đến 5:1 để tăng lượng liệu truyền qua liên kết Hình 3.26 Ví dụ cổng SkyX (76) 97 Hiệu suất TCP qua Liên kết vệ tinh với Cổng PEP Ngồi việc mơ điều kiện vệ tinh, ảnh hưởng tắc nghẽn internet đến thông lượng đầu cuối với cổng giao thức nghiên cứu Các thử nghiệm tiến hành bao gồm: • Thơng lượng kết nối TCP đơn cho băng thông liên kết khác nhau: Các ứng dụng LAN tốc độ cao Internet-2 cho tệp liệu lớn mô so sánh hiệu suất với cổng giao thức • Nhiều kết nối TCP với băng thông cố định cho kết nối: Lợi ích hiệu suất cổng giao thức cho liên kết ISP hỗ trợ số lượng lớn kết nối TCP nhỏ kiểm tra Các thử nghiệm chạy độ trễ việc truyền 700 ms để mô kết hợp bước nhảy vệ tinh 500 ms từ người dùng đến đường trục internet độ trễ 200 ms để đến máy chủ Hình 3.27 cho thấy cấu hình kiểm tra mạng Mạng chứa hai trình mơ liên kết để mô ảnh hưởng điều kiện liên kết vệ tinh đường trục internet mặt đất Máy khách máy chủ Sun Enterprise 450 (2 x UltraSPARC-II 296 MHz) với nhớ 048 MB chạy Solaris Một ứng dụng máy chủ-máy khách sử dụng cho tạo tải Hình 3.27 Ví dụ hiệu suất TCP qua liên kết vệ tinh - cấu hình mạng 98 Nhiều kết nối TCP khơng có cải tiến : Hình 3.28 cho thấy thơng lượng tổng hợp cho kết nối dựa vệ tinh máy khách máy chủ mà khơng có cải tiến TCP cho nhiều kết nối TCP 128 Kbps điều kiện tốc độ lỗi bit khác Với giới hạn 128 Kbps cho kết nối, cần 350 kết nối để lấp đầy liên kết 45 Mbps Độ trễ đường truyền 700 ms Với độ trễ này, khơng có lỗi, TCP bị giới hạn mức 31 Mbps cho 350 kết nối Ở tỷ lệ lỗi cao hơn, hiệu suất TCP giảm xuống nhanh chóng Hình 3.28 Nhiều kết nối TCP qua liên kết vệ tinh mà không cần cải tiến cổng giao thức Nhiều kết nối TCP với cải tiến cổng giao thức: Hình 3.29 minh họa tác động việc thêm cổng giao thức vào mạng Trong môi trường vệ tinh với độ trễ 700 ms, cổng giao thức cho phép kết nối sử dụng tồn băng thơng có sẵn Hiệu suất giống với giới hạn lý thuyết cho tối đa 280 kết nối Đối với mạng dựa vệ tinh, cổng giao thức cung cấp gia tăng đáng kể băng thông tổng hợp với tỷ lệ lỗi bit thấp Với tỷ lệ gói 10%, tổng thông lượng cho 350 kết nối với cổng 33 Mbps so với 10 Mbps TCP nâng cao Hình 3.29 Nhiều kết nối TCP qua liên kết vệ tinh với cải tiến cổng giao thức 99 Kết thử nghiệm nghiên cứu điển hình cho thấy thiết bị phân tách kết nối/cổng giao thức cải thiện thơng lượng cho sóng mang có lưu lượng loại TCP/IP liên kết vệ tinh với độ trễ lên đến 700ms Các thử nghiệm cho thấy thông lượng TCP/IP không bị ảnh hưởng miễn BER liên kết tốt 1x10-7 3.4 KẾT LUẬN Trong phần tìm hiểu giao thức sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh Phần mô tả quản lý lưu lượng, chế QoS, vấn đề liên quan đến thoại IP, phát đa hướng IP bảo mật Tìm hiểu tổng quan đặc điểm liên kết ảnh hưởng đến TCP hiệu suất môi trường vệ tinh cung cấp Các giao thức TCP cho mạng vệ tinh IETF đề xuất Nguyên tắc Proxy nâng cao hiệu suất (PEP) vấn đề triển khai mô tả Một số kết kiểm tra sử dụng PEP qua liên kết vệ tinh cung cấp 100 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Nội dung luận văn nghiên cứu tổng quan, nguyên lý hệ thống thông tin vệ tinh ứng dụng cho internet vệ tinh băng thơng rộng Qua đưa nhận xét kết luận sau: a Giới thiệu tổng quan hệ thống thông tin vệ tinh, tìm hiểu nghiên cứu nguyên lý hoạt động hệ thống thơng tin vệ tinh Tìm hiểu việc ứng dụng công nghệ thông tin vệ tinh cho Internet vệ tinh băng thơng rộng b Phân tích tính tốn dự trữ tuyến, tỷ số tín hiệu nhiễu (C/N) đầu vào thiết bị thu trường hợp kênh truyền có tác động nhiễu can nhiễu Một số ví dụ tính tốn tỷ số C/N thiết bị thu trạm mặt đất trường hợp có nhiễu (nhiễu trắng, nhiễu nhiệt) can nhiễu từ hệ thống khác - Nhiễu nhiệt sinh Antena - Tỷ số tín hiệu nhiễu máy thu - Nhiễu hệ thống c Tìm hiểu giao thức truyền thông tin vệ tinh băng rộng truy cập Internet, giao thức IP TCP Các ưu điểm IP đa hướng giảm truyền từ nguồn mang lại lợi ích cho nhà cung cấp nội dung giảm tải mạng truyền tải mang lại lợi ích cho nhà cung cấp dịch vụ Mạng vệ tinh thực phát đa hướng tốt phương tiện khác đặc điểm phát đa hướng Lợi nâng cao với hệ thống chuyển mạch tích hợp cung cấp việc sử dụng tài nguyên cách tối ưu Hầu hết kiến trúc mạng vệ tinh toàn cầu khu vực hỗ trợ ứng dụng Internet TCP/IP giao thức sử dụng rộng rãi truy cập internet Mô kiểm chứng kết theo lý thuyết khâu phân tích HƯỚNG NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI Hướng nghiên cứu đề tài: Các cải tiến TCP gần hướng nghiên cứu phát triển đề tài Các cải tiến là: • Khởi động nhanh TCP 101 Quick-Start TCP giới thiệu chế để vận chuyển giao thức để xác định cửa sổ tắc nghẽn ban đầu phép tùy chọn bắt đầu truyền liệu Nguồn cho biết tốc độ mong muốn ban đầu gói giây cách gửi tùy chọn yêu cầu bắt đầu nhanh tiêu đề IP gói TCP SYN SYN/ACK ban đầu • TCP Peach TCP Peach sơ đồ kiểm soát tắc nghẽn TCP thiết kế cho mạng vệ tinh TCP Peach bao gồm hai thuật toán mới: Khởi động đột ngột phục hồi nhanh, bên cạnh hai thuật toán TCP truyền thống tránh tắc nghẽn truyền lại nhanh Các thuật toán dựa việc sử dụng phân đoạn giả để thăm dị tính khả dụng nguồn mạng • Thơng báo lỗi truyền tải rõ ràng (ETEN) ETEN đề xuất cho vệ tinh không dây dễ bị lỗi môi trường Trong ETEN, máy gửi TCP thông báo gói bị lỗi, máy gửi phản ứng khác ETEN giả định có đủ thơng tin gói bị hỏng, chẳng hạn địa IP, số cổng số thứ tự TCP có sẵn cho định tuyến thu trung gian Tương lai phát triển thông tin vệ tinh băng thơng rộng truy cập Internet • Các ứng dụng phổ biến thông tin vệ tinh tương lai: So với hệ thống thông tin mặt đất thơng tin vệ tinh có nhiều ưu điểm bật nhiều ứng dụng Rõ ràng ưu điểm vượt trội thông tin vệ tinh so với hệ thống thông tin mặt đất khác sẵn sàng thông tin vệ tinh khắp nơi, thực đặc biệt hữu ích cho nơi mà cơng nghệ khác khơng thể cung cấp Ngồi thơng tin vệ tinh cịn cung cấp loạt dịch vụ có tính tồn cầu Chính ưu điểm bật thơng tin vệ tinh phát triển nhanh chóng thập niên qua Cho tới có 280 vệ tinh thương mại hoạt động cung cấp loạt dịch vụ viễn thông thị trường thông tin vệ tinh quốc tế (khu vực châu Á có khoảng 20 nhà khai thác vệ tinh với 80 vệ tinh hoạt động cung cấp loại dịch vụ thông tin khác nhau) Dưới số ứng dụng phát triển thông tin vệ tinh Dịch vụ Internet qua vệ tinh: Dịch vụ Internet qua vệ tinh chia làm hai mảng chính: dịch vụ trung kế (tương tự trung kế hệ thống điện thoại), truy nhập trực tiếp nhờ việc cài đặt VSAT hai chiều Các dịch vụ trung kế cung cấp cho nhà cung cấp dịch vụ 102 internet nhà khai thác mạng internet bao gồm: - Đồng bộ, cận đồng bộ, song công - Chia sẻ băng tần khu vực - Truyền qua sóng mang số băng tần Video số - Khả tích hợp dịch vụ thuê riêng/mạng có thiết bị đầu cuối mặt đất IP Băng rộng: Các nhà cung cấp viễn thông bên cạnh việc sử dụng hệ thống thông tin vệ tinh làm mơi trường truyền dẫn, cịn cung cấp dịch vụ bao phủ toàn cầu việc sử dụng băng tần có băng C, băng Ku băng Ka Thông tin vệ tinh khắc phục nhược điểm “nút cổ chai” hệ thống mạng mặt đất việc đóng vai trò mạng chuyển tiếp cung cấp dịch vụ trực tiếp tới khách hàng VoIP VoIP phần thoại truyền qua giao thức internet theo hai kiểu: điện thoại internet thoại truyền giao thức internet Điện thoại internet dịch vụ “không quản lý” qua mạng internet công cộng Thoại truyền giao thức internet dịch vụ quản lý sử dụng giao thức internet PSTN Mạng PSTN nguồn kết nối chủ yếu cho hầu hết nhà khai thác mạng Chất lượng tuyến thoại khác thiết kế để đáp ứng nhu cầu thực tế phụ thuộc vào hiệu chỉnh lỗi theo yêu cầu phương pháp điều chế Mạng doanh nghiệp: Các doanh nghiệp sử dụng dịch vụ như: ngân hàng, tổ chức tài chính, dầu lửa, khách sạn, hàng không, giáo dục, viễn thông Các dịch vụ mà tổ chức sử dụng như: truy nhập internet, thoại, hội nghị truyền hình, kiểm tra thẻ tín dụng, đào tạo từ xa, phát thảm hoạ, hỗ trợ trường hợp khẩn cấp Video Hiện nay, dịch vụ video qua vệ tinh phân bố toàn cầu với dịch vụ truyền trực tiếp tới nhà (DTH), thể thao, tin tức, kiện, HDTV Thông tin di động qua vệ tinh: 103 Thông tin di động qua vệ tinh có nhiều ưu điểm như: phát triển mạng toàn cầu, dễ dàng phân bố cân lại lưu lượng mạng, chi phí hạ tầng sở thấp, có nhiều khả gia tăng lợi nhuận dịch vụ • Mạng lưới Starlink (Chòm sao) SpaceX Một dự án triển khai giai đoạn đầu Mỹ có triển vọng dự án Starlink Tập đồn cơng nghệ khai phá không gian SpaceX giai đoạn triển khai thực hiện, người sáng lập nhà tỷ phú người Mỹ Elon Musk Mục tiêu dự án sử dụng hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp LEO liên kết thành chòm (Starlink) để phủ sóng tồn cầu dịch vụ internet vệ tinh băng thông rộng Cung cấp internet tốc độ cao giá rẻ đến tất khu vực trái đất, kể nơi khó khăn địa hình mà tiếp cận internet cách thông thường Để thực dự án phủ Internet tốc độ cao tồn cầu, SpaceX dự kiến phóng tất 12.000 vệ tinh lên vùng quỹ đạo thấp LEO với độ cao khoảng 400 km, chia thành chòm với số lượng 4.409 vệ tinh 7.518 vệ tinh Ủy ban truyền thông liên bang Hợp chủng quốc Hoa Kỳ FCC đồng ý phê duyệt kế hoạch phóng nửa số lượng vịng năm tới Hiện số lượng vệ tinh Starlink SpaceX có quỹ đạo sau lần phóng 480 Nếu kế hoạch, đạt số lượng 800 vào cuối năm 2020, đủ khả cung cấp Internet vệ tinh băng thông rộng cho Mỹ Canada Mục tiêu quan trọng dự án phát triển lên đến 40.000 vệ tinh nhằm phủ sóng tồn cầu, nơi điều kiện địa hình khó khăn tiếp cận internet cách thông thường, nâng cao tốc độ truyền mong muốn Hiện SpaceX mời người dùng đăng ký dùng thử nghiệm khu vực Mỹ Đức thức cung cấp dịch vụ internet vệ tinh cho toàn giới vào năm 2021 Theo SpaceNews internet vệ tinh có tốc độ truyền 1Gb/s, với độ trễ 30 ms, đủ để cạnh tranh với tảng internet truyền thống Trong tốc độ internet băng thông rộng trung bình Anh 64Mb/s Hiện dự án Internet vệ tinh băng thông rộng trình sử dụng số khu vực Châu Âu, Mỹ… thử nghiệm phạm vi tồn cầu Với đà phát triển cơng nghệ nay, hy vọng thời gian ngắn tới Internet vệ tinh băng thông rộng sớm áp dụng triển khai toàn lãnh thổ Việt Nam 104 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO http://www.internet2.edu/presentations/spring03/2003041, O-Abilene-orbato Burleigh, S, HookeA, Torgerson L, Fall K, Cerf'V, Durst B, Scott K & Weiss H (2003), Delay-Tolerant Networking: An approach to Interplanetary Internet IEEE Communications Magazine41(6): 128-136 Fitchard, Kevin (2012-10-01) “With new satellite tech, rural dwellers get access to true broadband” Gigaom Retrieved 2013-08-29 Winkler, Rolfe; Pasztor, Andy (2017-01-13) “Exclusive Peek at SpaceX Data Shows Loss in 2015, Heavy Expectations for Nascent Internet Service" Wall Street Journal ISSN 0099-9660 Retrieved 2018-02-09 Etherington, Darrell "SpaceX hopes satellite Internet business will pad thin rocket launch margins" TechCrunch Retrieved 2018-02-09 SES building a 10-terabit O3b "mPOWER" constellation Space News 11 September 2017 Accessed 25 April 2021 HoeberCF (2000) 2000: The Year of the Network AccessSatellite 51 51 International Astronautical Congress, IAF-OO.M.I.0.3, 2-6 October 2000, Rio de Janeiro, Brazil Gargione F, lida T, Valdoni F & Vatalaro F (1999) Services, Technologies, and Systems at Ka Band and Beyond - A Survey IEEE Journal on Selected Areas in Communications 17(2): 133-143 Kota S (1998) Network and Service Performance Impact of Rain Fades on KaBand GSO Network Systems ITU-R WP 4B, Doc 4B/38- E, Geneva, Switzerland 10 Kota S (1999) Broadband Satellite Communication Networks: Challenges and Standards MobiComm'99, Seattle, Washington, 15-20 August, 1999 11 Eckhardt G & Trefz M (2000) Developments tor Future Ka-Band Processing Payloads AIAA-2000-1197: 918-927 12 Evans JV (2000) The US filings tor Multimedia Satellites: a Review International Journal of Satellite Communications 18(3): 1221-160 13 Evans JV & Inukai T (1997) Global Connectivity via Satellite Proceedings of the IEEE, July 1997: 47-68 14 http ://www.spaceway.com 15 http://www.astrolink.com 16 Mura R & Losquadro G (200 1) Arch itectural Solutions for a GEO Satellite Mult imedia System International Journal of Space Communications 17(1-3): 59-68 105 17 ETSI (2000) DVB, InteractiveChannelfor Satellite Distribution Systems DVBRCSOOI, rev 14, ETSI EN 301790, V1.22 (2000-12) 18 Neale J, Green R & Landovskis J (200 I) Interactive Channel for MultimediaSatellite Networks IEEE Communications Magazine39(3): 192-198 19 http ://www.starband.com 20 http ://www.wildblue.com 21 www.viasat.com/_files/08fe203b613bc02b87de 181a370e2bdf/pdf/Linkway_high.pdf ... quan thông tin vệ tinh hệ thống thông tin vệ tinh giới Tập trung nghiên cứu lý thuyết sơ đồ tổng quát, nguyên lý hoạt động hệ thống thông tin vệ tinh Các hệ thống ứng dụng cho Internet vệ tinh băng. .. tinh: 14 1.3.3 Hệ thống thông tin vệ tinh 15 1.3.4 Tần số sử dụng thông tin vệ tinh 16 1.4 ỨNG DỤNG THÔNG TIN VỆ TINH CHO INTERNET VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG 16... TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.2.1 Đặc điểm hệ thống thông tin vệ tinh Một hệ thống truyền tin sử dụng chuyển tiếp đặt vệ tinh nhân tạo đất gọi hệ thống truyền tin vệ tinh (satellite