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 đề quan trọng khác như về bảo mật IP, phát đa hướng trên vệ tinh, và kiến trúc giao thức chuyển tiếp và trả lại cho các mạng vệ tinh IP tương tác được thảo luận.
Hầu hết các mạng vệ tinh toàn cầu và khu vực được đề xuất sử dụng TCP / IP để hỗ trợ các ứng dụng đa phương tiện trong tương lai. Các đặc tính của liên kết vệ tinh tức là độ trễ, băng thông, mất gói do tắc nghẽn và tổn thất do liên kết lỗi và bất đối xứng băng thông ảnh hưởng đến các giao thức truyền tải. Một số cải tiến giao thức TCP đã được phát triển cho các liên kết vệ tinh. Luận văn trình bày tóm tắt về các cải tiến khác nhau, tổng quan về nghiên cứu hiện tại và các giao thức truyền tải thay thế. Proxy nâng cao hiệu suất, được đề xuất sử dụng tại các cổng vệ tinh để cải thiện hiệu suất thông lượng TCP trong các điều kiện lỗi được mô tả và kết quả kiểm tra thử nghiệm được cung cấp . Đối với các ứng dụng âm thanh và hình ảnh trực tuyến, nghiên cứu kiểm soát tắc nghẽn thân thiện với TCP cũng được trích dẫn.
3.2 VỆ TINH IP
Mạng vệ tinh với khả năng xử lý và chuyển mạch trên bo mạch cho phép kết nối trực tiếp giữa các thiết bị đầu cuối vệ tinh nằm trong bất kỳ chùm vệ tinh nào. Trong vùng phủ sóng dịch vụ được chỉ định, quản lý mạng, điều khiển chuyển mạch trên bo mạch, truy cập dịch vụ, định tuyến gói và chuyển tiếp và/hoặc các chức năng chuyển mạch nhãn được thực hiện bởi trình quản lý tài nguyên phân tán trên bo mạch và trung tâm điều khiển mạng trên mặt đất (NCC). Có nhiều vấn đề đối với các mạng và dịch vụ dựa trên
IP, đặc biệt là thiếu các cơ chế tiêu chuẩn mạnh mẽ và có thể mở rộng đã được chứng minh cho các mạng vệ tinh. Các vấn đề này bao gồm:
• Sự phân bổ động của tài nguyên được chọn để tránh mất gói và chậm trễ. • Đảm bảo đạt được các mục tiêu hiệu suất mạng đầu cuối cần thiết.
• Truyền tín hiệu liền mạch về QoS đầu cuối mong muốn trên cả mạng và giao diện. • Giám sát hiệu suất của các mạng và dịch vụ dựa trên IP phù hợp với phương pháp lập kế hoạch.
• Khôi phục nhanh chóng và hoàn toàn kết nối sau khi rớt kết nối nghiêm trọng hoặc mức độ tắc nghẽn nặng.
Phần này mô tả quản lý lưu lượng, cơ chế QoS, các vấn đề liên quan đến thoại trên IP, phát đa hướng IP và bảo mật.
3.2.1 Quản lý lưu lượng IP qua vệ tinh
Quản lý lưu lượng là cần thiết để cung cấp QoS đã thương lượng cho các ứng dụng và để kiểm soát tắc nghẽn. Do đó, lưu lượng ứng dụng quan trọng hoặc thời gian thực có thể được cung cấp dịch vụ tốt hơn tại các nút mạng so với lưu lượng ít quan trọng hơn. Ngoài ra, tắc nghẽn phải được kiểm soát để tránh suy giảm hiệu suất và sụp đổ do tắc nghẽn xảy ra khi bộ đệm mạng bị tràn và các gói bị mất. Tải mạng không được tăng vượt quá một điểm hoạt động tối ưu nhất định, thường được gọi là đầu gối của đường cong thông lượng trễ. Ngoài thời điểm này, việc tăng mức tải trên mạng dẫn đến sự gia tăng đáng kể độ trễ đầu cuối gây ra bởi tắc nghẽn mạng và truyền lại. Sau đây là các mục tiêu của quản lý lưu lượng.
• Công bằng: Các nguồn lưu lượng truy cập phải được đối xử theo một số tiêu chí công bằng như công bằng tối đa (có hoặc không có đảm bảo tối thiểu) hoặc công bằng theo tỷ lệ. Công bằng tối thiểu tối đa cho phép chia sẻ bằng nhau (hoặc có trọng số trong trường hợp công bằng tối thiểu có trọng số) cho các nguồn có chung một điểm nghẽn. Điều này có nghĩa là phần chia sẻ của các nguồn bị hạn chế (tối thiểu) được tối đa hóa và các nguồn dư thừa được phân bổ đồng đều giữa các nguồn không bị hạn chế.
• Sử dụng tài nguyên hiệu quả: Các tài nguyên có sẵn, ví dụ, bộ đệm mạng, băng thông liên kết mạng, khả năng xử lý, máy chủ proxy nên được sử dụng một cách hiệu quả.
• Độ trễ hàng đợi giới hạn: Độ trễ hàng đợi phải nhỏ để đảm bảo độ trễ đầu cuối thấp theo yêu cầu QoS của ứng dụng và để đảm bảo bộ đệm không bị tràn và gây mất gói quá nhiều.
• Tính ổn định: Tốc độ truyền của các nguồn không được dao động ở trạng thái ổn định.
• Phản hồi nhanh chóng: Các nguồn lưu lượng phải phản ứng nhanh chóng với các điều kiện mạng thay đổi như tắc nghẽn đột ngột.
• Khả năng mở rộng: Các thuật toán quản lý lưu lượng phải có khả năng mở rộng cho số lượng lớn người dùng. Vài triệu người dùng là điển hình trong mạng IP vệ tinh.
Chức năng
Các chức năng quản lý lưu lượng khác nhau cho IP vệ tinh là định tuyến bị hạn chế (các chòm sao LEO và MEO), kiểm soát nhập kết nối, kiểm soát chính sách và bảo lưu tài nguyên. Khi những điều này được hoàn thành, việc định hình lưu lượng và lập chính sách, lập lịch trình và quản lý bộ đệm được yêu cầu để kiểm soát việc sử dụng tài nguyên và cung cấp QoS. Bảng 3.1 tóm tắt các chức năng quản lý lưu lượng và khả năng xác định vị trí nơi chúng sẽ được thực hiện, ví dụ, cổng, thiết bị đầu cuối, tải trọng và NCS.
Chính sách định tuyến: định tuyến dựa trên chính sách chọn các đường dẫn phù hợp với các quy tắc quản trị và các thỏa thuận dịch vụ. Với các lược đồ định tuyến dựa trên chính sách, quản trị viên có thể đưa ra các quyết định định tuyến không chỉ dựa trên vị trí đích mà còn dựa trên các yếu tố như ứng dụng, giao thức được sử dụng, kích thước gói tin hoặc danh tính của hệ thống đầu cuối. Định tuyến dựa trên chính sách có thể tiết kiệm chi phí, cân bằng tải và QoS cơ bản. Các ràng buộc chính sách được áp dụng trước khi áp dụng các ràng buộc QoS bắt buộc.
Định tuyến QoS có thể được định nghĩa là một cơ chế định tuyến mà theo đó các đường dẫn cho các luồng được xác định dựa trên một số kiến thức về tính khả dụng của tài nguyên trong mạng cũng như yêu cầu QoS của các luồng. Nó mở rộng mô hình nỗ lực cao nhất bằng cách tìm các tuyến đường thay thế cho các luồng chuyển tiếp mà không thể được chấp nhận trên con đường ngắn nhất hiện có.
Đối với các ứng dụng quan trọng về thời gian dưới điều kiện tải nặng, lỗi tràn bộ đệm và sự chậm trễ hàng đợi sẽ xảy ra. Kiểm soát thu nhận xác định xem các yêu cầu QoS của ứng dụng có được đáp ứng mà không làm giảm hiệu suất kết nối hiện có hay không.
Kiểm soát chính sách: Kiểm soát chính sách quy định người dùng nào được phép và bao nhiêu tài nguyên được dự trữ. Các nhà quản lý mạng và nhà cung cấp dịch vụ có thể giám sát, kiểm soát và thực thi việc sử dụng mạng dựa trên các chính sách.
Bảng 3.1: Các chức năng quản lý lưu lượng
Thành phần Định nghĩa Vị trí
Điều khiển nhập Cho phép kết nối mới yêu cầu mà không ảnh hưởng kết nối hiện có.
Cổng vào
Kiểm soát chính sách Kiểm tra kết nối mới cho
quyền quản trị. Trạm điều khiển mạng (NCS) Dự trữ tài nguyên Phân bổ tài nguyên đặt
trước tại các nút mạng cho một kết nối hoặc lưu lượng.
Cổng vào, NCS
Định tuyến có giới hạn Chọn một đường dẫn
dựa trên các yêu cầu. Hệ thống, bộ định tuyến, thiết bị đầu cuối người dùng (UT), cổng vào, NCS
Điều khiển tắc nghẽn Kiểm soát tải đầu vào điểm hoạt động tối ưu.
UT, cổng vào, NCS, Tích hợp xử lý.
Điều hướng lưu lượng Lưu lượng thông suốt. UT Kiểm soát lưu lượng Giảm các gói đã chọn
phù hợp với hồ sơ lưu lượng truy cập.
UT Lập lịch gói Xác định gói được
truyền tiếp theo.
Cổng vào, OBP Quản lý bộ đệm Xác định các gói được
nhận vào một bộ đệm. Cổng vào, OBP
Dự trữ tài nguyên: Các giao thức dự trữ tài nguyên tương tác với quá trình kiểm soát điều khiển thu nhận và xác định xem có đủ tài nguyên để dự trữ hay không. Các giao thức tương tác với quá trình kiểm soát chính sách để xác định xem người dùng có quyền thực hiện dự trữ hay không. Nếu quá trình dự trữ nhận được chỉ báo chấp nhận từ cả hai, nó sẽ gửi các giá trị tham số thích hợp đến bộ phân loại gói và bộ lập lịch gói. Bộ phân loại gói xác định lớp QoS của gói theo yêu cầu. Bộ lập lịch gói và bộ quản lý bộ đệm