Các trạm VSAT trong 1 mạng liên lạc với nhau qua vệ tinh bằng các sóng mang điều chế. Mỗi sóng mang như vậy được gán với một nguồn tài nguyên băng thông của vệ tinh. Việc gán này có thể là cốđịnh, một lần cho tất cả các trạm hay có thể gán theo yêu cầu của từng trạm.
38
1.5.1 Thế nào là gán cốđịnh
Hình 1.23 mô tả nguyên lý kỹ thuật gán cố định. Đây là cấu hình dạng sao nhưng cũng được áp dụng cho cấu hình dạng lưới. Tài nguyên băng tần vệ tinh trong gán cốđịnh được chia sẻ cốđịnh giữa tất cả các trạm mặt đất bất cứ khi nào có yêu cầu truyền lưu lượng. Trong trường hợp khi lưu lượng của 1 trạm VSAT nào
đó lớn hơn dung lượng mà nó được phân bổ, thì trạm VSAT sẽ bị từ chối cung cấp thêm băng thông. Kết quả là làm tăng thời gian trễ, trong khi các trạm VSAT khác lại dư thừa tài nguyên. Rõ ràng với kiểu gán cố định này mạng đã không được sử
dụng hiệu quả.
Hình 1.23: Nguyên lý gán cố định
1.5.1.1 Gán cốđịnh trong đa truy cập phân chia theo tần số (FA-FDMA)
Xét 1 mạng bao gồm L trạm VSAT, trong đó mỗi 1 trạm có khả năng phát tới K sóng mang với tốc độ bit RC, ta có tổng số sóng mang trong toàn mạng là L= K*N và mỗi trạm VSAT được phân bổ 1 phần băng tần Transponder vệ tinh. Phần băng tần này được dành riêng cho trạm VSAT đó khi có nhu cầu truyền dữ liệu và sẽ không bị sử dụng khi không có lưu lượng được truyền. Rõ ràng trong trường hợp này phần tài nguyên băng tần cấp cho trạm VSAT đó bị mất một cách vô ích. Hình 1.24 mô tả kỹ thuật FA - FDMA được sử dụng như thế nào khi K=1. Kỹ thuật gán cố định có ưu điểm là đơn giản, không mất thời gian và không bị khoá kênh khi thiết lập kết nối. Tuy nhiên, dung lượng yêu cầu của mạng (L=KRC) bị sử dụng không hiệu quả nếu lưu lượng biến động mạnh. Hiện tượng bị khóa lưu lượng có
39
thể xảy ra tại phía đầu cuối thiết bị khách hàng nếu có nhiều trạm VSAT đồng thời muốn kết nối tới các trạm VSAT khác trong mạng và số lượng kết nối này đã vượt quá khả năng đáp ứng yêu cầu băng thông của trạm VSAT.
Hình 1.24: Kỹ thuật FA – FDMA (với K=1)
1.5.1.2 Gán cốđịnh trong đa truy cập phân chia theo thời gian (FA-TDMA)
Mọi trạm VSAT thực hiện truyền các sóng mang theo cụm trong những khe thời gian riêng biệt của mình. Số khe thời gian bằng số trạm VSAT (L) trong 1 mạng. Vị
trí và độ dài của mỗi khe thời gian được cố định vì vậy dung lượng cho phép của mỗi trạm VSAT là cốđịnh.
40
Dung lượng phân bổ cho mỗi trạm VSAT là RC/L (RC: tốc độ bit, L: số trạm VSAT). Nếu trạm VSAT nào đó không truyền dữ liệu thì khe thời gian của trạm đó bị bỏ trống và dung lượng tương ứng với những khe trống đó bị mất. Các cụm sóng mang được chia cho K băng tần con, mỗi băng tần con này tương ứng với 1 kênh kết nối tới thiết bịđầu cuối của khách hàng.
1.5.2 Thế nào là gán theo yêu cầu
Các trạm VSAT chia sẻ phần băng tần của mình 1 cách linh hoạt và chỉ sử
dụng dung lượng của hệ thống khi có nhu cầu và dành lại phần băng tần dư thừa cho các trạm VSAT khác sử dụng. Gán băng tần theo yêu cầu chỉ được thực hiện khi có yêu cầu từ trạm VSAT cụ thể nào đó. Những yêu cầu này được gửi tới trạm Hub trên 1 kênh báo hiệu đặc biệt. Sau đó trạm Hub sẽ trả lời bằng cách phân bổ
lượng băng tần theo đúng yêu cầu của trạm VSAT đó thông qua phương thức phân chia theo khe thời gian hay tần số. Rõ ràng, phương thức gán băng tần theo yêu cầu hiệu quả hơn trong sử dụng tài nguyên băng tần của hệ thống tuy có nhược điểm là trễ khi thiết lập kết nối và chi phí xây dựng hệ thống tốn kém. Phương thức gán băng tần theo yêu cầu rất phù hợp với kiến trúc mạng hình sao với một trạm Hub
đặt tại trung tâm, đây là kiểu quản lý tập chung: mọi lưu lượng đều phải truyền qua trạm Hub sau đó mới được chuyển tiếp tới các trạm VSAT khác. Công tác tính cước và quản lý truy cập đối với các trạm VSAT ở xa cũng được thực hiện dễ dàng từ
trạm Hub.
41
1.5.2.1 Gán theo yêu cầu trong đa truy cập phân chia theo tần số(DA-FDMA)
Xét 1 mạmg có N trạm VSAT, mỗi trạm VSAT có khả năng phát K sóng
mang và sử dụng chung L băng tần con (nhưng bây giờ L<KN), những băng tần con này chỉđược dùng khi các trạm VSAT hoạt động. Hình 1.27 mô tả chi tiết kỹ thuật gán băng tần theo yêu cầu trong FDMA với K=1. Nếu số lượng sóng mang vượt quá số sóng mang mà băng tần bộ phát đáp có thể đáp ứng thì trạm VSAT sẽ bị
khoá tức là tại thời điểm đó sẽ không có sóng mang mới nào được thiết lập.
Hình 1.27: Kỹ thuật DA – FDMA (với K=1)
1.5.2.2 Gán theo yêu cầu đa truy cập phân chia theo thời gian (DA-TDMA)
Hình 1.28 mô tả L khe thời gian trong 1 khung thời gian được chia sẻ bởi N trạm VSAT (với N>L). Bất cứ trạm VSAT nào muốn thiết lập 1 kết nối có thể
chiếm lấy 1 Timeslot còn trống trong khung thời gian hoặc nếu trạm đó vẫn đang hoạt động mà muốn tăng dung lượng (thêm kết nối) thì chỉ cần tăng thời gian của cụm. Để làm được việc này yêu cầu phải có sự điều chỉnh về kế hoạch định thời gian cụm và điều này được thực hiện dưới sự giám sát của hệ thống quản lý mạng tại trạm Hub. Trong trường hợp, lưu lượng trạm vượt quá dung lượng cho phép thì việc khoá các kết nối mới từ các trạm VSAT khác sẽđược thực hiện.
42
Hình 1.28: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian
1.5.2.3 Thủ tục đa truy cập gán theo yêu cầu (DAMA)
Sau đây chúng ta xem xét 1 thủ tục trao đổi thông tin thiết lập kết nối và thủ
tục phân bổ tài nguyên hệ thống giữa Hub và VSAT.
Hình 1.29: Thủ tục đa truy cập gán theo yêu cầu
Hình 1.29 mô tả trạm VSAT gửi 1 yêu cầu thiết lập kết nối tới trạm Hub trên 1 kênh báo hiệu đặc biệt hướng đến và trạm Hub thực hiện cấp phát tài nguyên băng tần theo yêu cầu cho trạm VSAT đó thông qua 1 bản tin trả lời được truyền trên 1 kênh báo hiệu đặc biệt hướng đi trên đó truyền tải các thông tin về dung lượng cấp
43
phát (khe thời gian, phương thức mã hoá, tần số sóng mang,...). Nếu kết nối theo kiểu VSAT- Hub, thì thời gian trễ của bản tin trả lời là 2 bước nhảy cộng với thời gian xử lý. Trong kết nối VSAT-VSAT, thì trạm Hub sẽ truyền 1 bản tin phân bổ tài nguyên tới trạm VSAT đích và đợi trạm này xác nhận, việc này nhằm tránh trường hợp cấp phát tài nguyên sai mục đính. Từ những đặc tính của kỹ thuật gán theo yêu cầu đã trình bày ở trên, chúng ta có thể thấy kỹ thuật gán theo yêu cầu có những thuận lợi và hạn chế như sau:
¾ Ưu điểm: Gán theo yêu cầu cho phép tăng số trạm VSAT (N) hoạt động trong 1 hệ thống cùng sử dụng chung 1 tài nguyên hệ thống (L) hữu hạn.
¾ Nhược điểm: Thời gian trễ, các bản tin bị giữ lại tại phía trạm VSAT trước khi có thểđược gửi đi do các bản tin yêu cầu thiết lập kết nối phải
được gửi tới trạm Hub trước sau đó trạm Hub sẽ thực hiện cấp phát kênh cho VSAT. Do vậy, thời gian trễ truyền dẫn có thể lên tới 1 hoặc 2 giây và điều này không hiệu quảđối với các bản tin có độ dài ngắn.
Hình 1.30: Trễ trong thiết lập kết nối và truyền dẫn đối với bản tin dài và ngắn.
Những hạn chế này sẽ được khắc phục trong kỹ thuật đa truy cập phân chia ngẫu nhiên theo thời gian ALOHA sẽ trình bày dưới đây.
44
1.5.3 Đa truy cập phân chia ngẫu nhiên theo thời gian
Đa truy cập phân chia ngẫu nhiên theo thời gian hay còn gọi là ALOHA là một kỹ thuật được cải tiến từ kỹ thuật TDMA. Có 2 kiểu ALOHA: Không chia theo khe
thời gian (Unslotted ALOHA) và chia theo khe thời gian (S-ALOHA). Đối với
Unslotted ALOHA thì các trạm VSAT có thể truyền thông tin bất cứ lúc nào. Có nghĩa là không có đồng bộ. Đối với S-ALOHA, các trạm VSAT thực hiện truyền dữ
liệu trong các khe thời gian, vì vậy có sựđồng bộ nhưng không có sự phối hợp. Tức là các trạm VSAT thực hiện truyền dữ liệu của mình trong khe thời gian bất kỳ mà không cần biết là liệu khe thời gian đó đã được sử dụng bởi trạm VSAT khác hay
chưa. Hình 1.31 mô tả về nguyên lý S-ALOHA, trong đó các sóng mang được
truyền theo dạng từng cụm với thời gian của mỗi cụm tương ứng với thời gian của 1 khe thời gian. Những cụm sóng mang này mang các gói dữ liệu. Việc đồng bộ giữa các trạm VSAT được thực hiện bởi tín hiệu điều khiển của trạm Hub được truyền trên các kênh hướng từ Hub -VSAT. Việc truyền các gói dữ liệu được khởi tạo bởi 1 bản tin phát đi từ 1 trạm VSAT nào đó. Độ dài của bản tin có thể không trùng với
độ dài của 1 gói dữ liệu. Nếu bản tin đó quá nhỏ, nó phải được chèn thêm các bit
độn. Nếu bản tin quá lớn thì nó phải được truyền thành nhiều gói. Vì các trạm VSAT không được phối hợp với nhau cho nên các bản tin và cụm sóng mang được tạo ra 1 cách ngẫu nhiên.
45
Kỹ thuật truy cập ngẫu nhiên có một số hạn chế sau:
¾ Tính không ổn định: Hay xung đột giữa các gói tin khi các trạm đồng thời gửi các gói dữ liệu trên cùng 1 khe thời gian. Kết quả các gói tin bị xung
đột phải được truyền lại, các trạm nhận những gói tin này thường chịu tình trạng bị ứ đọng dữ liệu thông tin hay nói cách khác là bị nghẽn mạng. Và lưu lượng truyền lại này đã làm tăng dung lượng toàn mạng lên một cách không cần thiết.
¾ Thời gian xử lý lâu đối với các bản tin có độ dài lớn: Để gửi được các bản tin dài thì đòi hỏi phải gửi nhiều gói tin liên tiếp nhau, các bản tin này phải được chia nhỏ thành các gói tin trước khi được gửi đi. Có thể chứng minh được rằng thông lượng của hệ thống sử dụng kỹ thuật S-ALOHA với bản tin có độ dài lớn và được chia nhỏ thành các gói tin trong trường hợp bị yêu cầu truyền lại là: 2 1 G Ge S G + = − (1.6)
Phương trình trên chứng tỏ thông lượng hệ thống khi được so sánh với trường hợp S-ALOHA đơn gói tin (S=Ge-G) đã bị giảm đi 1 đại lượng là (1+G2), và có giá trị cực đại bằng 0.137 tại G=0.414.
Tóm lại, kỹ thuật FDMA – TDMA mang lại 1 sự kết hợp hài hoà giữa việc sử
dụng hiệu quả tài nguyên băng tần vệ tinh tối đa và mức tiêu thụ công suất thấp của thiết bị máy phát VSAT. Kỹ thuật này còn cho phép áp dụng một cách linh hoạt từ
phương thức gán băng tần hệ thống theo yêu cầu đến đa truy cập ngẫu nhiên ALOHA. Ngoài ra, đối với lưu lượng liên tục, thì sử dụng DA-TDMA sẽ tạo ra 1 thông lượng cao với thời gian trễ chấp nhận được. Đối với lưu lượng kiểu cụm, 1 kết nối thường trực sẽ là lãng phí vì vậy sử dụng kỹ thuật ALOHA sẽ hiệu quả hơn. S-ALOHA tạo ra thời gian trễ thấp khi lưu lượng cụm cao và có thể kết hợp với kỹ
thuật dành trước tài nguyên để tránh những hạn chế vốn có của S-ALOHA khi lưu lượng thấp.
46
1.6 Mạng IP trong hệ thống VSAT
1.6.1 Các chức năng của mạng IP trong VSAT
Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ thì nhu cầu trao đổi dữ liệu và các dịch vụ tiện ích của con người cũng tăng theo. Các phương thức truyền dẫn hiện nay như là ADSL, Leased line, Frame Relay .v.v. tuy đã phần nào đáp ứng được nhu cầu đó nhưng hạn chế của mạng này là tính di động không cao và triển khai ở những nơi địa hình phức tạp vẫn còn là một trở ngại lớn. Và mạng VSAT thực sự là một giải pháp tối ưu giải quyết được cả 2 vấn đề trên với việc cung cấp mạng băng rộng thế hệ mới cung cấp đa dịch vụ trên một thiết bị đầu cuối nhỏ gọn tốn ít diện tích với nền IP tốc độ cao, với các dịch vụ được cung cấp trực tiếp đến khách hàng qua vệ tinh tránh được xảy ra tắc nghẽn đường truyền làm giảm tốc độ kết nối chi phí, không đắt hơn các dịch vụ truyền thống quá nhiều, VSAT trong tương lai không chỉ hướng tới hoạt động công ích mà là cung cấp dịch vụ cho khách hàng vùng sâu vùng xa khó khăn về địa hình, với những ưu thế trên thì VSAT ngày càng được triền khai rộng rãi trên toàn thế giới, một trong những công nghệ hiện nay đang được sử dụng khá phổ biến đó là truyền thông IP qua
mạng VSAT.
1.6.1.1 Ưu và nhược điểm của mạng IP trong VSAT
a) Nhược điểm
Vấn đề quan trọng nhất đối với các mạng VSAT là độ trễ cao gây ra hơn 500ms trễ khi truyền mỗi gói dữ liệu. Điều này ảnh hưởng trực tiếp đến giao thức TCP truyền thống vốn được triển khai trên hệ thống mạng mặt đất và chưa được tối
ưu hóa cho vệ tinh, trong đó hiệu suất đường truyền bị giảm rất nhiều và hầu như
người dùng không thể sử dụng dịch vụ Thoại trên nền IP (VoIP) hay các nội dung có tính chất tương tác trên Internet. Vấn đề quan trọng thứ hai là yêu cầu tầm nhìn thẳng và sự căn chỉnh cẩn thận của các chảo thuê bao VSAT để có chất lượng tín hiệu tốt nhất. Bên cạnh đó đường truyền vệ tinh còn bịảnh hưởng rất nhiều bởi các yếu tố liên quan đến thời tiết (mưa, bão, tuyết tích tụở các anten) và thậm chí bịảnh
47
hưởng bởi mặt trời khi nó ở ngay phía sau vệ tinh. Tỉ lệ lỗi bit ở bộ thu có thể lên cao đến mức 10-6 khi điều kiện thời tiết xấu, đặc biệt là đối với băng tần Ku, Ka.
b) Ưu điểm
Bù lại những nhược điểm kể trên, các hệ thống VSAT có một số ưu điểm rất rõ ràng mà các hệ thống mặt đất không thể sánh được. Trước hết nó cung cấp một vùng dịch vụ (vùng phủ sóng) lớn trên một phạm vi địa lý rất rộng với địa hình đa dạng. Hơn nữa, những phương thức truy cập vệ tinh theo nhu cầu băng thông và khả
năng đa truy nhập cấp phát động hay cấp phát theo yêu cầu cung cấp tính năng linh hoạt to lớn cho người sử dụng VSAT.
1.6.2 Cấu trúc giao thức trong mạng VSAT
Một mạng VSAT có thể được cấu hình như trong hình 1.32, trong đó mạng VSAT đóng vai trò cung cấp một kết nối giữa hai trạm đầu cuối với nhau và các trạm đầu cuối này được kết nối tới các máy tính Host tại trạm Hub. Trong đó có các kết nối vật lý và các bộ giao thức điều khiển các kết nối vật lý. Cấu hình giao thức ở đây là các các tầng chức năng trong mô hình tham chiếu OSI. Trong hình 1.32 chỉ
có 3 tầng thấp nhất (vật lý, liên kết dữ liệu, mạng) được chuyển đổi giao thức, tuy nhiên trong một vài trường hợp yêu cầu chuyển đổi giao thức tại tầng giao vận.
48
Sự chuyển đổi giao thức của tầng Network để giúp thực hiện chức năng chuyển đổi địa chỉ IP của máy tính khách hàng, điều này cho phép các địa chỉ mạng hoàn toàn độc lập với địa chỉ của khách hàng. Tầng liên kết dữ liệu được chia thành 2 tầng phụ: một tầng là liên kết dữ liệu - làm nhiệm vụ điều khiển các kết nối dữ