Phát trực tuyến âm thanh, hình ảnh, truy cập Internet quảng bá và các ứng dụng đa phương tiện là nhu cầu cần thiết thiết kế mạng vệ tinh băng thông rộng trong tương lai. Thiết kế các tham số bao gồm thông lượng lưu lượng, độ trễ hệ thống, tính linh hoạt, hiệu suất, QoS và độ phức tạp. Trong kiến trúc tiên tiến với tải trọng xử lý và công nghệ ăng ten chùm tia điểm, cấu trúc liên kết lưới hoàn chỉnh. Nếu những công nghệ này trở nên kinh tế, các kiến trúc mới hơn có thể sử dụng các thiết bị đầu cuối rẻ tiền, nhỏ, công suất thấp với trên cùng một bo mạch các chức năng giải điều chế - điều chế, mã hóa và định tuyến [11]. Các mức QoS của người dùng băng thông rộng có thể được hỗ trợ tốt bởi lưu lượng trên bo mạch quản lý và giám sát lưu lượng, hiện được hỗ trợ trong cơ sở hạ tầng trên mặt đất. Trọng tâm chính đề cập đến các vấn đề thiết kế mạng vệ tinh hỗ trợ hiệu suất cấp người dùng và phân bổ tài nguyên được cải thiện. Đặc biệt, các công nghệ QoS được phát triển cho mạng mặt đất đã được áp dụng cho vệ tinh.
Hình 4.3 minh họa kiến trúc mạng vệ tinh băng thông rộng được trình bày bởi phân đoạn mặt đất, phân đoạn không gian và phân đoạn kiểm soát điều khiển mạng. Phân đoạn mặt đất bao gồm các thiết bị đầu cuối và các cổng (GWs), có thể xa hơn, được kết nối với các mạng công cộng và / hoặc các mạng riêng. Các phân đoạn không gian bao gồm một vệt tinh (GEO) hoặc vệ tinh nhiều hơn (GEO, MEO, LEO). Trạm điều khiển mạng (NCS) thực hiện nhiều chức năng quản lý và phân bổ tài nguyên cho các phương tiện vệ tinh. Liên kết giữa các vệ tinh trong phân đoạn không gian cung cấp toàn cầu liền mạch kết nối thông qua chòm sao vệ tinh là tùy chọn. Một mạng kết hợp kiến trúc cho phép truyền các gói tin qua vệ tinh, ghép kênh và các luồng dữ liệu phân kênh cho các liên kết lên, liên kết xuống và giao diện tới kết nối các mạng mặt đất với nhau. Các tùy chọn kiến trúc có thể thay đổi từ chuyển mạch ATM, vận chuyển IP hoặc MPLS qua vệ tinh. Kết nối với bên ngoài các mạng vệ tinh và mặt đất công cộng và riêng tư sẽ được cung cấp theo đề án cơ sở hạ tầng thông tin toàn cầu.
Hình 1.11: Ví dụ về kiến trúc mạng vệ tinh băng rộng
1.4.5.1 Yêu cầu
Các mạng vệ tinh băng thông rộng thế hệ tiếp theo xem xét các yêu cầu sau:
• Tính kết nối: Cấu trúc liên kết lưới và xử lý tích hợp cho phép định tuyến dữ liệu riêng lẻ bùng nổ đến đích của chúng.
• Chuyển mạch trên bo mạch: Sử dụng gói nhanh hoặc ATM, chuyển tiếp gói IP hoặc thậm chí chuyển mạch lớp 2.
• Chòm sao: Sử dụng chủ yếu GEO để truyền dữ liệu cao và một số ứng dụng đa phương tiện. Tuy nhiên, hệ thống hỗn hợp với sự kết hợp của GSO và NGSO là một khả năng.
• Quản lý lưu lượng: Sử dụng các thuật toán quản lý lưu lượng ở cả hai phân đoạn không gian và mặt đất cho các dịch vụ khác nhau.
• Đa truy cập và băng thông theo yêu cầu: Sử dụng tài nguyên hiệu quả kỹ thuật chia sẻ và phân công theo nhu cầu Đa truy cập (DAMA) các thuật toán.
• Ăng-ten chùm điểm: Hệ thống ăng-ten chùm điểm có độ lợi cao cung cấp phủ sóng đa điểm và lợi thế tái sử dụng tần số.
• Chất lượng dịch vụ: Hỗ trợ chất lượng dịch vụ đảm bảo (QoS) cấp cho các ứng dụng khác nhau.
1.4.5.2 Ngăn xếp giao thức
Hình 1.12 cho thấy ngăn xếp giao thức minh họa vệ tinh kết nối mạng với các tùy chọn ATM, IP hoặc MPLS vệ tinh. Nó cho thấy một sự phát triển công nghệ được áp
dụng cho các mạng vệ tinh. Các tùy chọn bao gồm, ATM gốc, IP trên ATM, IP trên MPLS hoặc IP thuần.
Hình 1.12 Ví dụ về ngăn xếp giao thức
1.4.5.3 Xử lý trên bo mạch
Nhiều hệ thống vệ tinh băng thông rộng thế hệ tiếp theo sử dụng trên bo mạch xử lý và chuyển mạch gói/di động nhanh chóng. Quá trình xử lý trên bo mạch liên quan đến giải điều chế và phân kênh tín hiệu nhận được. Tải trọng thực hiện giải mã và mã hóa, xử lý thông tin tiêu đề và định tuyến dữ liệu, trỏ ăng-ten, đệm, ghép kênh và truyền lại dữ liệu trên đường xuống hoặc liên kết giữa các vệ tinh. Những lý do chính cho việc tham gia xử lý bao gồm tách đường lên khỏi đường xuống, đạt được hiệu suất xấp xỉ 3 dB và cung cấp tài nguyên theo yêu cầu bằng cách sử dụng đa truy cập phân công theo yêu cầu đường lên (DAMA). Những lợi thế xử lý tích hợp trên kiến trúc này bao gồm:
• Cải thiện tỷ lệ lỗi bằng cách sử dụng các kỹ thuật mã hóa hiệu quả • Tách đường lên và đường xuống
• Cải thiện hiệu quả hệ thống • Hiệu suất trễ tốt hơn
• Quyết định tuyến sẵn sàng hoặc thông qua liên kết liên vệ tinh. • Không truyền lại từ đầu đến cuối
• Cải thiện năng lực
Các dịch vụ thế hệ đầu tiên hiện đang sử dụng sử dụng dịch vụ vệ tinh cố định băng Ku (FSS) hiện có cho các kết nối hai chiều. Sử dụng FSS, khu vực địa lý rộng lớn được
bao phủ bởi một chùm phát sóng duy nhất. Hệ thống băng Ka mới sử dụng chùm tia điểm bao phủ một khu vực nhỏ hơn nhiều, ví dụ, hàng trăm dặm. Các cell liền kề có thể sử dụng dải tần số khác nhau nhưng dải tần có thể được tái sử dụng nhiều lần trên một khu vực địa lý rộng. Các tái sử dụng tần số trong công nghệ chùm tia điểm làm tăng khả năng. Nói chung, chùm điểm Ka có thể cung cấp 30-60 lần khả năng hệ thống của mạng thế hệ đầu tiên. Trong một kiến trúc không phục hồi, vệ tinh nhận được đường lên và truyền lại nó trên đường xuống mà không cần xử lý hoặc giải điều chế trên bo mạch. Trong kiến trúc xử lý với chuyển đổi tế bào hoặc gói lớp 3, vệ tinh nhận liên kết lên, giải điều chế, giải mã, chuyển mạch và đệm dữ liệu đến chùm thích hợp sau khi mã hóa và điều chế lại dữ liệu, trên đường xuống. Trong một kiến trúc xử lý, chuyển mạch và đệm được thực hiện trên vệ tinh và trong một kiến trúc không xử lý, chuyển mạch/định tuyến và đệm được thực hiện trong một cổng. Việc lựa chọn vệ tinh kiến trúc mạng phụ thuộc chặt chẽ vào các ứng dụng của khách hàng mục tiêu và cân bằng hiệu suất/chi phí.
1.4.5.4 Chuyển mạch trên bo mạch
Vệ tinh xử lý trên bo mạch với nhiều chùm tia điểm có độ lợi cao và khả năng chuyển mạch trên bo mạch đã được coi là yếu tố chính của hệ thống thông tin vệ tinh thế hệ tiếp theo. Quá trình gia công xử lý trên bo mạch vệ tinh hỗ trợ các thiết bị đầu cuối nhỏ, hiệu quả về chi phí và cung cấp các tính linh hoạt và tăng cường sử dụng tài nguyên trong một môi trường lưu lượng tràn ngập đa phương tiện. Mặc dù việc sử dụng chức năng chuyển mạch trên bo mạch dẫn đến phức tạp hơn trên bo mạch vệ tinh, sau đây là những ưu điểm của thiết bị chuyển mạch trên bo mạch.
• Giảm chi phí trạm mặt đất.
• Cung cấp băng thông theo yêu cầu với độ trễ một nửa. • Cải thiện tính liên kết.
• Cung cấp thêm tính linh hoạt và cải thiện liên kết mặt đất hiệu suất, tức là, điều này cho phép các thiết bị đầu cuối trong bất kỳ chùm đường lên nào giao tiếp với các thiết bị đầu cuối trong bất kỳ chùm đường xuống nào, trong khi truyền và chỉ nhận một nhà cung cấp dịch vụ duy nhất.
• Báo hiệu trong băng tần cho lưu lượng kết hợp và theo dõi từ xa và hoạt động chỉ huy (TT & C) một trong những vấn đề thiết kế quan trọng nhất đối với các vệ tinh xử lý trên bo mạch là lựa chọn kiến trúc chuyển mạch băng tần cơ sở trên bo mạch. Bốn loại công tắc tích hợp được đề xuất:
• Chuyển mạch • Chuyển mạch ATM
• Công tắc lai (hỗn hợp) • Chuyển đổi gói tin nhanh
Hình 1.13 cho thấy một ví dụ về chuyển mạch gói nhanh và đầu vào các chức năng xử lý đầu ra.
Hình 1.13 Kiến trúc chức năng của chuyển mạch gói nhanh
Các yêu cầu chính của một chuyển mạch gói nhanh như vậy bao gồm: • Xử lý nhiều dịch vụ, ví dụ: IP, ATM, MPEG
• Hỗ trợ QoS với các cấp ứng dụng khác nhau • Hỗ trợ các ứng dụng đa hướng
• Thực hiện phân bổ nghiên cứu hiệu quả và các thuật toán DAMA • Thực hiện định tuyến gói, chuyển mạch nhãn và chuyển mạch di động • Xử lý sự bất đối xứng
• Cung cấp thông lượng lên đến vài gigabit mỗi giây
Trong tương lai, hệ thống hỗ trợ vệ tinh thậm chí có thể sử dụng MPLS (GMPLS) chuyển mạch kết nối mạng vệ tinh và phân đoạn mặt đất và người dùng.
1.4.5.5 Liên kết giữa các vệ tinh (ISL)
Việc sử dụng ISL để định tuyến lưu lượng được coi là một tùy chọn trong việc lựa chọn kiến trúc mạng. ISL cung cấp lợi ích của việc tự điều khiển phân chia không gian với chi phí xử lý độ phức tạp của hệ thống. Ngoài ra, việc lựa chọn kiến trúc chuyển mạch trên bo mạch phải được thực hiện về thông lượng, độ trễ và tính đơn giản của hoạt động hệ thống. Các vấn đề khác để quyết định việc sử dụng ISL bao gồm:
• Tính khả thi của liên kết vật lý (các động lực liên vệ tinh) • Hạn chế khối lượng, công suất và chi phí (dự trữ liên kết)
Khối lượng và công suất tiêu thụ của tải trọng ISL là các yếu tố trong lựa chọn xem có đưa chúng vào hệ thống hay không, ngoài việc có thể lợi ích và hạn chế. Ngoài ra, sự lựa chọn giữa tần số vô tuyến (RF) và tải trọng quang hiện có thể thực hiện được vì tải trọng quang ngày càng nhiều có thể nhận ra và cung cấp dung lượng liên kết cao hơn. Khả năng theo dõi tải trọng cũng phải được xem xét, đặc biệt nếu các khả năng liên vệ tinh là cao. Đây có thể là một lợi thế cho các tải trọng RF ISL.
Lợi thế của ISL
• Có thể đạt được ít khả năng kiểm soát trên mặt đất hơn với băng tần trên bo mạch chuyển mạch giảm độ trễ (hoạt động tự động).
• Tăng độ bao phủ toàn cầu do các đại dương và các khu vực không có trạm mặt đất.
• Trung tâm điều khiển mạng đơn. Nhược điểm của ISL
• Độ phức tạp và chi phí của các vệ tinh sẽ tăng lên.
• Nguồn điện có sẵn cho liên kết vệ tinh / người dùng có thể bị giảm.
• Chuyển giao giữa các vệ tinh do động lực liên kết giữa các vệ tinh sẽ phải được hợp nhất.
• Chiến lược bổ sung. • Phối hợp tần số.
Nghiên cứu cân bằng về hiệu suất và độ phức tạp của hệ thống giữa các ISL và việc sử dụng các cổng dựa trên mặt đất ISL sẽ được thực hiện để đi đến quyết định sử dụng ISL.
1.4.5.6 Công nghệ chùm tia điểm
Công nghệ vệ tinh truyền thống sử dụng chùm tia đơn rộng bao phủ khắp các lục địa và khu vực. Các chùm điểm băng Ku và Ka mới hơn cung cấp vùng phủ sóng trên một khu vực nhỏ hơn nhiều so với các chùm toàn cầu, điều này có lợi trong việc cung cấp nhiều băng thông hơn. Bằng cách định hình ăng-ten trên tàu vũ trụ thành một tiêu điểm chặt chẽ hơn, kích thước của “dấu chân” trên mặt đất được giảm bớt. Hai lợi ích được tạo ra bởi sự sửa đổi này: cường độ tín hiệu khi nhìn thấy từ các thiết bị đầu cuối
mặt đất tăng lên cho phép các ăng ten mặt đất nhỏ hơn và cùng một dải tần số có thể được sử dụng nhiều lần trong các chùm khác nhau mang lại tổng băng thông lớn hơn. Sử dụng việc tái sử dụng tần số thông qua nhiều chùm tia điểm, các vệ tinh băng tần Ku và Ka có thể được cấu hình theo kiểu tương tự như các mạng di động trên mặt đất. Riêng với băng tần Ka, hệ số giới hạn không còn trở thành phổ biến khả dụng nữa. Hầu hết các vệ tinh băng thông rộng đều có kế hoạch sử dụng chùm tia điểm chặt hơn so với các vệ tinh tiền nhiệm. Các ứng dụng cụ thể phù hợp với công nghệ chùm tia điểm bao gồm phát sóng truyền hình địa phương và truy cập Internet tốc độ cao.