Mật độ công suất, thường được biểu thị bằng watt / m2, tại khoảng cách r từ ăng ten phát có độ lợi gt, được định nghĩa là mật độ dòng công suất (pfd)r (xem Hình 2.6).
Hình 2.6 Mật độ dòng công suất
Do đó (pfd)r là
(pfd)r = 𝑝𝑡𝑔𝑡
4𝜋𝑟2 w/m2 (2.21) Hoặc theo eirp là
(pfd)r = 𝑒𝑖𝑟𝑝
4𝜋𝑟2 w/m2 (2.22) Mật độ thông lượng công suất được biểu thị bằng dB, sẽ là
(PFD)r = 10 log 𝑝𝑡𝑔𝑡
4𝜋𝑟2
(2.23)
= 10 log (pt) + 10 log (gt) - 20 log (r) - 10 log (4 𝜋) Với r tính bằng mét,
(PFD)r = Pt + Gt - 20 log(r) - 10.99 hoặc (PFD)r = EIRP - 20 log(r) - 10.99
trong đó Pt, Gt và EIRP là công suất phát, độ lợi của anten phát và công suất bức xạ hiệu dụng, tất cả được biểu thị bằng dB.
Thông số (pfd) là một tham số quan trọng trong việc đánh giá các yêu cầu công suất và mức độ nhiễu đối với các mạng thông tin vệ tinh.
2.7.3 Độ lợi anten
Bức xạ công suất đẳng hướng thường không hiệu quả đối với các liên kết thông tin vệ tinh, vì mức mật độ công suất sẽ thấp đối với hầu hết các ứng dụng. Một số định hướng (độ lợi) là mong muốn cho cả anten phát và anten thu. Ngoài ra, anten vật lý không phải là bộ thu / phát hoàn hảo, và điều này phải được tính đến khi xác định độ lợi của anten.
Trước hết hãy xem xét một anten không tổn hao (lý tưởng) có diện tích khẩu độ vật lý là A (m2). Độ lợi của anten lý tưởng có vùng khẩu độ vật lý A được xác định là
gideal = 4𝜋𝐴
𝜆2 (2.24) trong đó 𝜆 là bước sóng của sóng bức xạ.
Anten vật lý không phải là lý tưởng - một số năng lượng bị cấu trúc phản xạ đi, một số năng lượng bị hấp thụ bởi các thành phần làm suy hao (bộ phận cấp tín hiệu, thanh chống, bộ phản xạ phụ). Để giải thích điều này, khẩu độ hiệu dụng, Ae, được định nghĩa theo hiệu quả khẩu độ, ɳA, sao cho
Ae = ɳAA (2.25) Sau đó, xác định độ lợi anten thực hoặc anten vật lý là g,
greal = g = = 4𝜋𝐴𝑒
𝜆2 (2.26) Hoặc g = ɳA
4𝜋𝐴
Độ lợi của anten tính bằng dB đối với các ứng dụng vệ tinh thường được biểu thị bằng giá trị dB trên độ lợi của bộ tản nhiệt đẳng hướng, được viết là ‘dBi’. Do đó, từ Công thức (4.13),
G = 10 log [ɳA 4𝜋𝐴
𝜆2 ], dBi (2.28) Cũng lưu ý rằng khẩu độ hiệu dụng có thể được biểu thị bằng Ae = 𝑔𝜆
2
4𝜋 (2.29)
Hiệu suất khẩu độ cho một anten parabol tròn thường chạy khoảng 0,55 (55%), trong khi các giá trị 70% trở lên có sẵn cho các hệ thống anten hiệu suất cao.
2.7.3.1 Anten phản xạ hình parabol tròn
A = 𝜋𝑑 2
4 (2.30) trong đó d là đường kính vật lý của anten.
Từ công thức tăng ích anten (2.26), g = ɳA 4𝜋𝐴 𝜆2 = ɳA 4𝜋 𝜆2 (𝜋𝑑2 4 ) hoặc G = 10 log [ɳA (𝜋𝑑 𝜆 ) 2 ], dBi (2.31) Đối với đường kính anten d tính bằng mét và tần số f tính bằng GHz, g = ɳA (10.472 f d)2
g = 109.66 f2 d2ɳA Hoặc, tính bằng dBi
G = 10 log(109.66 f 2 d2 ɳA) (2.32)
Bảng 2.2 trình bày một số giá trị đại diện của độ lợi anten đối với các đường kính và tần số anten khác nhau. Hiệu suất của anten là 0,55 được giả định cho tất cả các trường hợp.
Bảng 2.2 Độ lợi anten, đường kính và tần số phụ thuộc Đường kính d (mét) Tần số f (GHz) Độ lợi G (dBi) Đường kính d (mét) Tần số f (GHz) Độ lợi G (dBi) 1 3 6 10 12 12 12 12 39 49 55 59 1 .3 6 10 24 24 24 24 45 55 61 65
Lưu ý rằng khi đường kính anten tăng gấp đôi, độ lợi tăng 6 dBi và khi tần số tăng gấp đôi, độ lợi cũng tăng 6 dBi.
2.7.3.2 Độ rộng chùm tia
Hình 2.7 cho thấy một mẫu anten định hướng điển hình cho một anten phản xạ parabol tròn, cùng với một số thông số được sử dụng để xác định hiệu suất của anten. Hướng sáng tối đề cập đến hướng của mức tăng tối đa, mà giá trị g được xác định từ các phương trình trên. 1/2 độ rộng chùm tia công suất (đôi khi được gọi là 'độ rộng chùm tia 3 dB') là góc hình nón chứa mà độ lợi đã giảm xuống 1/2 giá trị ở độ sáng chói, tức là công suất giảm 3 dB so với độ sáng chói đạt được giá trị.
Hình 2.7 Độ rộng chùm tia anten
Mẫu anten cho thấy độ lợi như một hàm của khoảng cách từ hướng ánh sáng chói. Hầu hết các anten đều có các dải phụ, hoặc các vùng mà độ lợi có thể tăng lên do các yếu tố cấu trúc vật lý hoặc các đặc điểm của thiết kế anten. Cũng có thể một số năng lượng có thể hiện diện phía sau phản xạ anten vật lý. Các thùy bên là mối quan tâm vì có thể có nguồn tạp và can nhiễu, đặc biệt là đối với các anten mặt đất của vệ tinh nằm gần các anten khác hoặc các nguồn công suất trong cùng dải tần với liên kết vệ tinh.
Độ rộng chùm tia của anten đối với anten phản xạ parabol có thể được xác định gần đúng từ mối quan hệ đơn giản sau:
𝜃 =~ 75 𝜆
𝑑 = 22.5
𝑑 𝑓 (2.33)
trong đó 𝜃 là 1/2 độ rộng chùm tia công suất tính bằng độ, d là đường kính anten tính bằng mét và f là tần số tính bằng GHz.
Bảng 2.3 liệt kê một số đường truyền chùm anten đại diện cho dải tần số và đường kính được sử dụng trong các liên kết vệ tinh, cùng với các giá trị độ lợi anten.
f (Ghz) d (mét) G (dBi) 𝜃 (o) 𝜃 (o) G (dBi) 6 3 4.5 43 46 1.25 0.83 1 0.1 44.85 64.85 12 1 2.4 4.5 39 47 53 1.88 0.78 0.42 30 0.5 2.4 4.5 41 55 60 1.50 0.31 0.17 (ɳA =0.55)
Các đường truyền chùm anten cho các liên kết vệ tinh có xu hướng rất nhỏ, trong hầu hết các trường hợp đều nhỏ hơn 1o, yêu cầu lưu ý chỉ dẫn và kiểm soát anten để duy trì liên kết.
2.7.4 Mất đường dẫn không gian trống
Bây giờ hãy xem xét một máy thu có anten có độ lợi gr nằm cách máy phát pt (watt) và độ lợi anten gt một khoảng r, như trong Hình 4.4. Công suất pr thu được bởi anten nhận sẽ là
pr = (pfd)rAe = ptgt
4𝜋𝑟2 Ae, watts (2.34)
trong đó (pfd)r là mật độ dòng công suất tại máy thu và Ae là diện tích hiệu dụng của anten máy thu, tính bằng mét vuông. Thay Ae bằng biểu diễn từ công thức (2.35),
pr = ptgt
4𝜋𝑑2
gr 𝜆2
4𝜋 (2.36)
Việc sắp xếp lại các thuật ngữ mô tả mối quan hệ qua lại của một số tham số được sử dụng trong phân tích liên kết
pr = [ptgt
4𝜋𝑟2] gr [ 𝜆2
4𝜋] (2.37)
Mlượật động công thông
suất (pfd) tính bằng w / m2
Chênh lệch mất mát tính bằng m2
Thuật ngữ trong ngoặc đầu tiên là mật độ dòng công suất được xác định trước đó. Thuật ngữ được đặt trong ngoặc thứ hai là suy hao lan truyền, s, chỉ một hàm của bước sóng hoặc tần số. Nó có thể được tìm thấy như
s = 𝜆 2
4𝜋 = 0.00716
𝑓2 (2.38) S(dB) = - 20 log(f) - 21.45
trong đó tần số được chỉ định bằng GHz. Một số giá trị đại diện cho S là −44,37 dB ở 14 GHz, −47,47 ở 20 GHz và −50,99 ở 30 GHz.
Sắp xếp lại phương trình (2.36) ở một dạng hơi khác, pr = pt gt gr [ ( 𝜆
4𝜋𝑟 )2] (2.39)
Các phần tử trong ngoặc tính toán cho tổn thất bình phương nghịch đảo. Các phần tử này thường được sử dụng ở dạng đối ứng của nó như là mất đường dẫn dung lượng trống, lFS, tức là
lFS = (4𝜋𝑟
𝜆 )2 (2.40) Hoặc, được biểu thị bằng dB,
LFS(dB) = 20 log (2𝜋𝑟
𝜆 ) (2.41)
Các số hạng này được đảo ngược cho thuận tiện tính toán kỹ thuật để duy trì LFS (dB) là một đại lượng dương, nghĩa là (lFS> 1).
Bảng 2.4 Tổn thất đường dẫn không gian trống đại diện cho các liên kết vệ tinh
Quỹ đạo GSO Quỹ đạo NON-GSO r (km) f (GHz) LFS (dB) r (km) f (GHz) LFS (dB) 35 900 6 12 20 30 44 199 205 209 213 216 100 2 6 12 24 138 148 154 160 1 000 2 6 12 24 158 168 174 181
Suy hao đường dẫn trong không gian tự do hiện diện đối với tất cả các sóng bức xạ lan truyền trong không gian tự do hoặc trong các vùng có các đặc điểm gần đúng với tính đồng nhất của không gian tự do, chẳng hạn như khí quyển của trái đất. Biểu thức dB cho
suy hao đường dẫn không gian tự do có thể được đơn giản hóa cho các đơn vị cụ thể được sử dụng trong các phép tính liên kết. Biểu diễn lại phương trình (2.40) theo tần số, lFS = (4𝜋𝑟 𝜆 )2 = (4𝜋𝑟𝑓 𝑐 )2 Đối với phạm vi r tính bằng mét và tần số f tính bằng GHz, lFS = (4𝜋𝑟 (𝑓∗ 109) (3∗ 108) )2 = (40𝜋 3 𝑟𝑓)2
LFS(dB) = 20 log(f) + 20 log(r) + 20 log (40𝜋
3 ) (2.42) LFS(dB) = 20 log(f) + 20 log(r) + 32.44 LFS(dB) = 20 log(f) + 20 log(r) + 32.44
Đối với phạm vi r tính bằng km,
LFS(dB) = 20 log(f) + 20 log(r) + 92.44 (2.43)
Bảng 2.4 liệt kê một số tổn thất đường dẫn đối với dải tần số liên kết vệ tinh và dải quỹ đạo GSO và phi GSO đại diện. Giá trị gần 200 dB đối với GSO và 150 dB đối với phi GSO được mong đợi và phải được tính đến trong bất kỳ thiết kế liên kết nào.
2.7.5 Phương trình liên kết cơ bản cho công suất nhận
Bây giờ chúng ta có tất cả các yếu tố cần thiết để xác định phương trình liên kết cơ bản để xác định công suất thu được tại các đầu cuối ăng ten máy thu cho một liên kết thông tin vệ tinh. Chúng ta tham khảo lại liên kết truyền thông cơ bản (Hình 2.6, lặp lại ở đây như Hình 2.8).
Hình 2.8 Liên kết truyền thông cơ bản
Các thông số của liên kết được xác định là: pt = công suất phát (watt); pr = công suất nhận được (watt); gt = độ lợi anten phát; gr = độ lợi anten nhận; và r = khoảng cách đường đi (mét hoặc km).
Công suất máy thu tại các đầu cuối ăng ten thu, pr, được đưa ra là pr = pt gt ( 1
𝑙𝐹𝑆) gr
= eirp ( 1
𝑙𝐹𝑆) gr (2.44) Hoặc, được biểu thị bằng dB,
Pr(dB) = EIRP + Gr - LFS (2.45)
Kết quả này đưa ra phương trình liên kết cơ bản, đôi khi được gọi là Phương trình dự trữ Công suất Liên kết, cho một liên kết truyền thông vệ tinh và là phương trình thiết kế mà từ đó tiến hành đánh giá thiết kế và hiệu suất vệ tinh.
*Tính toán mẫu cho liên kết băng tần Ku
Trong phần này, chúng tôi trình bày một phép tính mẫu cho công suất nhận được cho một liên kết vệ tinh đại diện hoạt động trong băng tần Ku. Hãy xem xét một đường lên vệ tinh với các thông số như trong Hình 2.9.
Hình 2.9 Các thông số liên kết băng tần Ku
Công suất phát là 10 watt, và cả anten parabol phát và thu đều có đường kính 3 m. Hiệu suất của anten là 55% cho cả hai anten. Vệ tinh được đặt tại một vị trí của GSO, với phạm vi 35 900 km. Tần số hoạt động là 12 GHz. Đây là các tham số điển hình cho thiết bị đầu cuối đường lên VSAT mạng riêng tỷ lệ vừa phải. Xác định công suất nhận được, pr, và mật độ thông lượng công suất, (pfd)r, cho liên kết.
Đầu tiên, độ lợi của ăng-ten được xác định (Công thức (2.32)): G = 10 log(109.66 f2 d2ɳA)
Gt = Gr = 10 log(109.66 × (12)2 × (3)2 × 0.55) = 48.93 dBi
Công suất bức xạ hiệu dụng, tính bằng db, được tính bằng (Công thức (2.25)) EIRP = Pt + Gt
= 10 log(10) + 48.93 = 10 + 48.93 = 58.93 dBw
Suy hao đường dẫn không gian trống, tính bằng dB là (Phương trình (2.42)) LFS = 20 log(f) + 20 log(r) + 32.44
= 20 log(12) + 20 log(3.59 × 107) + 32.44 = 21.58 + 151.08 + 32.44 = 205.1 dB
Công suất nhận được, tính bằng db, sau đó được tìm thấy từ phương trình khối công suất liên kết (Công thức (2.45)):
Pr(dB) = EIRP + Gr - LFS = 58.93 + 48.93 - 205.1 = -97.24 dBw
Công suất nhận được tính bằng watt có thể được tìm thấy từ kết quả trên: pr = 10 − 97.24
10 = 1.89 × 10-10 watts
Sau đó, mật độ thông lượng công suất, tính bằng dB, được xác định từ Công thức (2.23):
(PFD)r = EIRP - 20 log(r) - 10.99
= 58.93 - 20 log(3.59×107) - 10.99 = 58.93 - 151.08 - 10.99
= -103.14 dB(w/m2)
Lưu ý rằng công suất nhận được là rất, rất thấp, và đây là một cân nhắc quan trọng trong việc thiết kế các liên kết để có hiệu suất phù hợp khi có tạp âm trong liên kết, như chúng ta sẽ thấy trong phần sau.
2.8 TẠP ÂM HỆ THỐNG
Công suất hoặc tín hiệu không mong muốn (gọi là tạp âm) có thể được đưa vào liên kết vệ tinh tại tất cả các vị trí dọc theo đường truyền tín hiệu, từ máy phát thông qua việc phát hiện và giải điều chế tín hiệu cuối cùng. Có nhiều nguồn gây ra tạp âm trong hệ thống thông tin liên lạc. Mỗi bộ khuếch đại trong hệ thống máy thu sẽ tạo ra công suất nhiễu trong băng thông thông tin và phải được tính đến trong một phép tính hiệu suất liên kết. Các nguồn khác bao gồm bộ trộn, bộ chuyển đổi lên, bộ chuyển đổi xuống, bộ chuyển mạch, bộ kết hợp và bộ ghép kênh. Tạp âm hệ thống tạo ra bởi các phần tử phần cứng thêm vào tạo thành tạp âm và các tạp âm trên đường truyền sóng bức xạ theo điều kiện khí quyển.
Chú ý rằng, tạp âm được đưa vào hệ thống thông tin liên lạc ở đầu phía trước của máy thu là đáng kể nhất, vì đó là nơi mức tín hiệu mong muốn là thấp nhất. Các phần được tô bóng của Hình 2.10 chỉ ra khu vực đầu cuối của máy thu trong liên kết vệ tinh mà chúng tôi đang đề cập đến.
Hình 2.10 Mặt trước của máy thu
Bốn nguồn tạp âm trong khu vực đầu cuối là: 1) đầu cuối của máy thu; 2) anten máy thu; 3) các yếu tố kết nối giữa chúng; và 4) nhiễu đi vào từ đường dẫn không gian tự do, thường được gọi là nhiễu vô tuyến. Anten máy thu, đầu cuối máy thu và các phần tử kết nối giữa chúng (bao gồm cả thành phần tích cực và thụ động) là các hệ thống con phải được thiết kế để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đến hiệu suất của liên kết vệ tinh. Cả anten/máy thu đầu cuối mặt đất (đường xuống) và anten/máy thu vệ tinh (đường lên) đều là những nguồn có thể gây suy giảm do tạp âm. Công suất sóng mang nhận được tại các đầu cuối anten thu, pr, như chúng ta đã thấy ở phần trước, là rất thấp (picowat), do đó cần rất ít nhiễu đưa vào hệ thống tại thời điểm đó để làm giảm hiệu suất.
2.9 KẾT LUẬN
Chương này chúng ta tìm hiểu về các nguồn nhiễu sinh ra trong đường truyền vệ tinh. Tập trung tìm hiểu về nhiễu nhiệt tại anten, nhiễu hệ thống, tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào máy thu. Nghiên cứu nguyên tắc cơ bản về truyền tín hiệu trong vệ tinh, nâng cao công suất thu phát nhằm giảm thiểu nhiễu phát sinh trong quá trình truyền tín hiệu.
Tiếp tục tìm hiểu về các giao thức cơ bản được sử dụng trong hệ thống thông tin vệ tinh, đó là giao thức internet (IP) và giao thức điều khiển truyền (TCP) ở chương tiếp theo.
CHƯƠNG 3
GIAO THỨC TRONG THÔNG TIN VỆ TINH BĂNG RỘNG ĐỂ TRUY CẬP INTERNET
3.1 GIỚI THIỆU
Trong chương trước, chúng ta đã các nguồn nhiễu sinh ra trong đường truyền vệ tinh. Tập trung tìm hiểu về nhiễu nhiệt tại anten, nhiễu hệ thống, tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại đầu vào máy thu. Các mạng truyền thông trong tương lai hướng tới các dịch vụ đa phương tiện với cơ sở hạ tầng mới bao gồm công nghệ vệ tinh, không dây và quang học. Do tính đơn giản và phổ biến của IP, kiến trúc mạng sẽ dựa trên IP hoặc IP trên DWDM. Tuy nhiên, việc cung cấp QoS cho người dùng và đảm bảo hiệu suất là một vấn đề quan trọng cần được giải quyết. Cơ chế QoS do IETF đề xuất cho các mạng mặt đất phải được mở rộng cho các mạng vệ tinh. Trong chương này, chúng ta xem xét quản lý lưu lượng để cung cấp QoS đã được cân đối với các ứng dụng, kiểm soát tắc nghẽn. Sau thảo luận về các cơ chế QoS, tiếp tục xác định các vấn đề thoại trên IP thông qua vệ tinh. Các vấn