1.3.1 Nguyên lý của thông tin vệ tinh
Sau khi được phóng vào vũ trụ, vệ tinh trở thành trạm thông tin ngoài trái đất. Nó có nhiệm vụ thu tín hiệu dưới dạng sóng vô tuyến từ một trạm ở trái đất, khuếch đại rồi phát trở về trái đất cho một trạm khác.
Có hai quy luật chi phối quỹ đạo của các vệ tinh bay xung quanh quả đất là: - Mặt phẳng quỹ đạo bay của vệ tinh phải cắt ngang tâm Trái đất.
- Qủa đất phải là trung tâm của bất kỳ quỹ đạo nào của vệ tinh. Hình 2.1 biểu diễn 3 dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh.
1.3.1.1 Quỹ đạo cực tròn
Ưu điểm của dạng quỹ đạo này là mỗi điểm trên mặt đất đều nhìn thấy vệ tinh trong một khoảng thời gian nhất định. Việc phủ sóng toàn cầu của dạng quỹ đạo này đạt được vì quỹ đạo bay của vệ tinh sẽ lần lược quét tất cả các vị trí trên mặt đất. Dạng quỹ đạo này được sử dụng cho các vệ tinh dự báo thời tiết, hàng hải, thăm dò tài nguyên và các vệ tinh do thám. Nó ít được sử dụng cho thông tin truyền hình vì thời gian xuất hiện ngắn.
1.3.1.2 Quỹ đạo elip nghiêng
Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới. Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuổi vệ tinh phải ở mức cao.
1.3.1.3 Quỹ đạo xích đạo tròn
Đối với dạng quỹ đạo này, vệ tinh bay trên mặt phẳng đường xích đạo và là dạng quỹ đạo được dùng cho vệ tinh địa tĩnh, nếu vệ tinh bay ở một độ cao đúng thì dạng quỹ đạo này sẽ lý tưởng đối với các vệ tinh thông tin.
+ Quỹ đạo địa tĩnh GEO (Geosychronous Earth Orbit)
Hình 1.7 Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh.
Vệ tinh địa tĩnh là vệ tinh được phóng lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000km so với đường xích đạo, vệ tinh loại này bay xung quanh quả đất một vòng mất 24h. Do chu kỳ bay của vệ tinh bằng chu kỳ quay của trái đất xung quanh trục của nó theo hướng Đông cùng với hướng quay của trái đất, bởi vậy vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất, do đó nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh. Bởi vì một vệ tinh địa tĩnh có thể đảm bảo thông tin ổn định liên tục nên có nhiều ưu điểm hơn vệ tinh quỹ đạo thấp dùng làm vệ tinh thông tin.
Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới.
Ngoài ra người ta còn có 2 loại quỹ đạo khác:
+ Quỹ đạo trung bình MEO (Medium Earth Orbit)
Vệ tinh MEO ở độ cao từ 10.000km đến 20.000 km, chu kỳ của quỹ đạo là 5 đến 12 giờ, thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ. Ứng dụng cho thông tin di động hay thông tin radio. Hệ thống MEO cần khoảng 12 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu.
+ Quỹ đạo thấp LEO (Low Earth Orbit)
Độ cao điển hình của dạng quỹ đạo này là 160 đến 480 km, nó có chu kỳ 90 phút. Thời gian quan sát thấy vệ tinh khoảng dưới 30 phút. Việc bố trí các vệ tinh LEO gần nhau có thuận lợi là thời gian để dữ liệu phát đi đến vệ tinh và đi về là rất ngắn. Do khả năng thực hiện nhanh của nó, tác dụng tiếp sức tương hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình sẽ có hiệu quả và hấp dẫn hơn. Nhưng hệ thống LEO đòi hỏi phải có khoảng 60 vệ tinh loại này mới bao trùm hết bề mặt địa cầu.
1.3.2 Các đặc điểm của thông tin vệ tinh:
Trong thời đại hiện nay, thông tin vệ tinh được phát triển và phổ biến nhanh chóng vì nhiều lý do khác nhau. Các ưu điểm chính của thông tin vệ tinh so với các phương tiện thông tin dưới biển và trên mặt đất như hệ thống cáp quang và hệ thống chuyển tiếp viba số là:
- Có khả năng đa truy nhập.
- Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần 3 vệ tinh địa tỉnh là có thể phủ sóng toàn cầu. - Ổn định cao, chất lượng và khả năng cao về thông tin băng rộng.
- Có thể ứng dụng cho thông tin di động. - Thích hợp với dịch vụ truyền hình
- Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt trong thông tin xuyên lục địa.
Sóng vô tuyến điện phát đi từ một vệ tinh ở quỹ đạo địa tĩnh có thể bao phủ hơn 1/3 toàn bộ bề mặt trái đất, nên những trạm mặt đất đặt trong vùng đó có thể thông tin trực tiếp với bất kỳ một trạm mặt đất khác trong vùng qua một vệ tinh thông tin.
Kỹ thuật sử dụng một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất và việc tăng hiệu quả sử dụng của nó tới cực đại được gọi là đa truy nhập. Nói cách khác đa truy nhập là phương pháp dùng một bộ phát đáp trên một vệ tinh chung cho nhiều trạm mặt đất.
1.3.3 Hệ thống thông tin vệ tinh cơ bản
Một hệ thống thông tin vệ tinh bao gồm hai phần cơ bản: - Phần trên không là vệ tinh và các thiết bị liên quan. - Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất.
Hình 1.8 Liên lạc giữa hai trạm mặt đất qua vệ tinh
Trong đó vệ tinh đóng vai trò lặp lại tín hiệu truyền giữa các trạm mặt đất, thực chất kỹ thuật thông tin vệ tinh là kỹ thuật truyền dẫn mà trong đó môi trường truyền dẫn là không gian vũ trụ với khoảng cách đường truyền khá dài. Tại đây ta cũng gặp lại một số vấn đề đối với một bài toán truyền dẫn, đó là các vấn đề điều chế tạp âm và nhiễu đường truyền, đồng bộ giữa hai đầu thu phát.
Hình vẽ là một ví dụ đơn giản về liên lạc giữa hai trạm mặt đất thông qua vệ tinh thông tin .
Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên (Up link) và đường từ vệ tinh đến trạm mặt đất thu gọi là đường xuống (Down link). Hầu hết, các tần số trong khoảng 6GHz hoặc 14GHz được dùng cho đường lên và tần số khoảng 4GHz hoặc 11GHz cho đường xuống.
Tại đầu phát, thông tin nhận từ mạng nguồn (có thể là kênh thoại, truyền hình quảng bá, truyền số liệu ...) sẽ được dùng để điều chế một sóng mang trung tần IF. Sau đó tín hiệu này được đưa qua bộ chuyển đổi nâng tần (Up Converter) cho ra tần số cao hơn RF (Radio Frequency). Tín hiệu RF này được khuếch đại ở bộ khuếch đại công suất cao HPA (High Power Amplifier) rồi được bức xạ ra không gian lên vệ tinh qua anten phát. Tại vệ tinh, tín hiệu nhận được qua anten sẽ được khuếch đại và chuyển đổi tần số xuống (Down Converter), sau đó được khuếch đại công suất rồi được phát trở lại trạm mặt đất. Ở trạm
mặt đất thu, tín hiệu thu được qua anten được khuếch đại bởi bộ khuếch đại tạp âm thấp LNA (Low Noise Amplifier). Sau đó được chuyển đổi tần số xuống trung tần qua bộ chuyển đổi hạ tần (Down Converter) và cuối cùng được giải điều chế khôi phục lại tín hiệu băng gốc.
1.3.4 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Các tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh nằm trong băng tần siêu cao SHF (Super High Frequency) từ 3 đến 30 GHz, trong phổ tần số sử dụng cho vệ tinh người ta còn chia các băng tần nhỏ với phạm vi của dãy phổ như bảng 2.1
Bảng 1.2 Tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh
Băng Tần số (GHz) Bước sóng (cm)
C 3,400 7,075 8,82 4,41
X 7,025 8,425 4,41 3,56
Ku 10,90 18,10 2,75 1,66
Ka 17,70 36,00 1,95 0,83
Hiện nay, băng C và băng Ku được sử dụng phổ biến nhất, băng C (4/6 GHz) nằm ở khoảng giữa cửa sổ tần số, suy hao ít do mưa, trước đây được dùng cho các hệ thống viba mặt đất. Sử dụng chung cho hệ thống intelsat và các hệ thống khác bao gồm các hệ thống vệ tinh khu vực và nhiều hệ thống vệ tinh nội địa. Băng Ku (12/14 và 11/14 GHz), được sử dụng rộng rãi tiếp sau băng C cho viễn thông công cộng, dùng nhiều cho thông tin nội địa và giữa các công ty. Do tần số cao nên cho phép sử dụng những anten có kích thước nhỏ, nhưng cũng vì tần số cao nên tín hiệu ở băng Ku bị hấp thụ lớn do mưa.
Băng Ka (20/30 GHz) lần đầu tiên sử dụng cho thông tin thương mại qua vệ tinh Sakura của Nhật, cho phép sử dụng các trạm mặt đất nhỏ và hoàn toàn không gây nhiễu cho các hệ thống viba. Tuy nhiên băng Ka suy hao đáng kể do mưa nên không phù hợp cho thông tin chất lượng cao.
1.4 ỨNG DỤNG THÔNG TIN VỆ TINH CHO INTERNET VỆ TINH BĂNG THÔNG RỘNG THÔNG RỘNG
1.4.1 Giới thiệu
Các mạng truyền thông vệ tinh đã phát triển từ các hệ thống phát quảng bá, các hệ thống phát đáp chuyển mạch chùm, chuyển tiếp gói IP, hệ thống xử lý và chuyển mạch tích hợp. Kiến trúc phát sóng quảng bá của hầu hết các vệ tinh thương mại có băng thông từ 1 đến 2 GHz hoặc thấp hơn. Các ứng dụng yêu cầu tăng cường băng thông hiệu quả tăng dần trong vài năm tới. Một lượng lớn vệ tinh đang được phát triển với tỷ lệ 8% mỗi
năm và tải trọng truyền thông ngày càng tăng đạt năng lực hiệu quả hơn trong 35 năm cộng lại, lên hơn hai nghìn phần trăm [7]. Các thiết kế hệ thống vệ tinh trong tương lai sử dụng nhiều chùm tia đạt được tần số tái sử dụng tối đa. Hệ thống vệ tinh có thể trở thành cơ sở hạ tầng được sử dụng ở các vùng có truyền thông kém phát triển và bổ sung dịch vụ internet qua các công nghệ khác như cáp, DSL, cáp quang và không dây.
Internet dựa trên vệ tinh có một số lựa chọn kiến trúc do các lựa chọn thiết kế của họ. Theo nghĩa rộng, các tùy chọn này được phân loại thành hai danh mục chính: kết nối và mạng truy cập. Chương này cung cấp một tổng quan về (a) hệ thống vệ tinh băng thông rộng kết nối người dùng với người dùng, (b) hệ thống mạng truy cập vệ tinh, (c) hệ thống vệ tinh di động cho thông tin liên lạc cá nhân, và (d) Mạng thiết bị đầu cuối Khẩu độ Rất nhỏ (VSAT). Các đặc điểm chính và kiến trúc thiết kế của bốn loại này ở các mạng vệ tinh được tìm hiểu. Một bảng tóm tắt so sánh các hệ thống thuộc từng lớp của mạng vệ tinh được cung cấp. Để minh họa các mục tiêu thiết kế, chúng ta tìm hiểu một ví dụ hệ thống hiện có.
1.4.2 Mạng kết nối
Trong các mạng vệ tinh kết nối: dùng để kết nối giữa người dùng với người dùng bằng cách thiết lập thông qua chuyển mạch và định tuyến bởi vệ tinh như mô tả ở hình 1.9. Kiểu này với dịch vụ băng thông rộng có thể được sử dụng để cung cấp truy cập Internet giảm mức độ khó khăn cho cơ sở hạ tầng mặt đất. Hiệu quả sử dụng băng thông có thể đạt được thông qua việc sử dụng xử lý tích hợp và chuyển mạch gói nhanh ATM hoặc thậm chí là chuyển mạch quang học trong tương lai xa. Kết quả là, độ phức tạp và nhu cầu về tài nguyên vệ tinh có thể cao hơn nhiều so với nhu cầu cần thiết của một vệ tinh truy cập thông thường. Hình 1.9 cho thấy một mạng kết nối. Ví dụ về mạng kết nối vệ tinh băng thông rộng như Spaceway, Astrolink, EuroSkyWay.
1.4.3 Mạng truy cập
Mạng truy cập phát triển với ứng dụng mới của kết nối tương tác băng thông rộng Internet. Mạng yêu cầu một liên kết chuyển tiếp từ cổng mạng đến người dùng và liên kết trả về từ người dùng đến cổng mạng. Hai đường liên kết này rất bất đối xứng và các liên kết có thể có các đặc điểm hoàn toàn khác nhau. Việc phân bổ băng thông phải điều hòa hai liên kết cho mỗi người dùng. Sử dụng lại tần số được thực hiện và các dải tần số khác nhau có thể được sử dụng đối với người dùng và các liên kết cổng vào. Một mạng truy cập được thể hiện trong hình 4.2. Ví dụ về mạng truy cập vệ tinh như StarBand, WildBlue, iPStar, Astra-BBl, Cyberstar.
Hình 1.10: Mạng truy cập
Vấn đề cân bằng để lựa chọn kết nối hoặc hệ thống truy cập là hiệu quả sử dụng băng thông so với độ phức tạp. Hầu hết các kết nối mạng cũng được lên kế hoạch để cung cấp truy cập Internet tốc độ cao cũng như các ứng dụng đa phương tiện.
1.4.4 Thế hệ tiếp theo Ka-band
Nhiều hệ thống vệ tinh hiện tại sử dụng tần số băng tần C và băng tần Ku. Băng tần C yêu cầu ăng-ten lớn và tần số riêng lẻ. Trong khi đó, hệ thống băng tần Ku yêu cầu ăng ten đĩa nhỏ và có những yếu tố hấp dẫn hơn, nhưng các băng tần này nói chung là đã nghẽn. Kết quả là băng tần Ka sử dụng công nghệ chùm tia điểm, trở thành một giải pháp hấp dẫn cho tương lai các mạng vệ tinh băng thông rộng [8]. Hầu hết các mạng vệ tinh băng thông rộng được thiết kế để hoạt động ở băng tần Ka. Hệ thống Intelsat sử dụng băng C và Ku trong khi hệ thống Eutelsat sử dụng Ka và Ku. Cho đến gần đây, băng tần Ka được sử dụng cho các chương trình vệ tinh thử nghiệm ở Hoa Kỳ, Nhật Bản, Ý và
Đức. Ở Hoa Kỳ, vệ tinh Công nghệ Truyền thông tiên tiến (ACTS) đang được sử dụng để chứng minh các công nghệ tiên tiến như xử lý trên bo mạch và quét chùm tia điểm. Một số ứng dụng đã được thử nghiệm bao gồm: đào tạo từ xa, y tế từ xa, giao dịch tài chính thẻ tín dụng, máy tính tốc độ dữ liệu cao kết nối, hội nghị truyền hình và HDTV. Sự tắc nghẽn ngày càng tăng của băng tần C và Ku và sự thành công của chương trình ACTS đã làm tăng sự quan tâm của các nhà phát triển hệ thống vệ tinh trong mạng thông tin liên lạc vệ tinh băng tần Ka để tăng hỗ trợ cho các ứng dụng đa phương tiện. Sự hội tụ nhanh chóng của các yếu tố kỹ thuật, quy định và kinh doanh đã làm tăng sự quan tâm của các nhà phát triển hệ thống ở các tần số băng tần Ka. [9]
Một số yếu tố ảnh hưởng đến sự phát triển của mạng vệ tinh đa phương tiện ở tần số băng tần Ka: [10]:
• Kiểm soát công suất thích nghi và mã hóa thích nghi: kiểm soát công suất thích nghi và các công nghệ mã hóa thích nghi đã được phát triển để cải thiện hiệu suất, giảm thiểu ảnh hưởng lan truyền bị lỗi của hệ thống ở băng tần Ka.
• Tốc độ dữ liệu cao: Phân bổ băng thông lớn dịch vụ vệ tinh cố định đồng bộ địa lý (GSO FSS) và dịch vụ vệ tinh cố định không đồng bộ địa lý (NGSO FSS) làm cho các dịch vụ tốc độ dữ liệu cao trở nên khả thi qua các hệ thống băng tần Ka. • Công nghệ tiên tiến: Phát triển bán dẫn tạp nhiễu thấp hoạt động ở băng tần 20
GHz và bán dẫn công suất cao hoạt động trong băng tần 30 GHz đã ảnh hưởng đến sự phát triển của thiết bị đầu cuối mặt đất giá rẻ. Không gian đạt hiệu quả cao hơn bộ khuếch đại ống dẫn sóng (TWTA) và sự phát triển mạch tích hợp ứng dụng cụ thể (ASIC) đã cải thiện khả năng xử lý. Các thiết kế bus vệ tinh với mảng năng lượng mặt trời hiệu quả và phương pháp cấp điện hiệu suất cao hơn đã tạo ra các phương tiện phóng hiệu quả về chi phí.
• Kết nối toàn cầu: Giao thức và giao diện mạng tiên tiến được phát triển để kết nối liền mạch với mặt đất cơ sở hạ tầng.