1.4.1 Trạm mặt đất trung tâm - trạm Hub
Là trạm điều khiển, quản lý và giám sát toàn bộ hoạt động của mạng, đồng thời làm nhiệm vụ giao diện giữa mạng thông tin vệ tinh với các mạng viễn thông hiện có (PABX/PSTN, GSM, Internet, WAN...) để truyền tải và phân tải lưu lượng thông tin. Một số hệ thống còn phân định trạm Hub chính và trạm Hub dự phòng (khi trạm Hub chính có sự cố sẽ chuyển ngay sang trạm HUB dự phòng để điều khiển, đảm bảo không làm gián đoạn hoạt động của toàn bộ hệ thống)
Trạm Hub thường được kết nối với Trung tâm điều khiển vệ tinh qua kênh điện thoại hoặc kênh dành riêng để phối hợp sử dụng hiệu quả phát đáp vệ tinh theo yêu cầu sử dụng.
Trạm Hub gồm các chức năng chính như sau:
- Điều khiển, quản lý và giám sát: phân chia, ấn định và cấp phát, thu hồi kênh truyền qua vệ tinh của các trạm mặt đất; đặt tên và theo dõi, quản lý tình trạng vận hành trạm mặt đất; cập nhật phần mềm từ xa; định tuyến cuộc gọi; tính cước;
- Kết nối mạng vệ tinh với mạng viễn thông mặt đất và mạng vệ tinh khác như: mạng truyền dẫn cáp quang, cáp đồng; mạng điện thoại cố định PSTN; mạng điện thoại di động GSM, CDMA; mạng diện rộng WAN; Internet...
- Làm trung tâm kết nối cho các trạm mặt đất, là đầu mối chuyển tiếp luồng truyền dẫn dự phòng cho mạng đường trục mặt đất. Các cuộc gọi trong mạng mình sao đều được chuyển tiếp qua Hub trước khi đến trạm đầu cuối.
- Phối hợp trung tâm điều khiển vệ tinh qua kênh thoại hoặc kênh dành riêng nhằm sử dụng hiệu quả phần băng thông phát đáp được cấp.
Sơ đồ khối trạm Hub điển hình được nêu trong hình 1.9.
Hình 1.9: Sơ đồ khối trạm Hub
Ăng ten cố định đường kính lớn 4-11m, thường yêu cầu có đặc tính phản xạ tốt, búp phụ nhỏ, chịu được các biến đổi của thời tiết, khí hậu, nhiệt độ môi trường ngoài trời. Ăng ten thường là loại được điều khiển tự động quay bám vệ tinh. Tùy thuộc yêu cầu băng thông dịch vụ và số lượng trạm đầu cuối để tính toán lựa chọn đường kính ăng ten phù hợp. Trong lịch sử, các trạm yêu cầu chất lượng thông tin cao (đạt tiêu chuẩn phát quảng bá hoặc phát chương trình truyền
hình đến trực tiếp các trạm đầu cuối – DTH, Direct To Home) thường chọn băng tần C và có ăng ten đường kính rất lớn (≥ 10 m).
Máy phát công suất cao tần có công suất đủ lớn đảm bảo chất lượng tuyến thông tin cho Hub hoạt động. Ngoài ra khuếch đại công suất còn phải có hệ số khuếch đại lớn và ít biến động theo nhiệt độ, đường đặc tính khuếch đại phẳng, hài thấp.
Bộ khuếch đại tạp âm thấp và hạ tần LNB: có độ nhạy thu đầu vào cao, hệ số khuếch đại lớn, đường đặc tính khuếch đại phẳng và ít biến động do nhiệt độ hay theo thời gian.
Tín hiệu thu tại đầu vào ăng ten được chuyển qua LNB vào bộ hạ tần. Theo hướng phát, tín hiệu đi ngược lại từ bộ nâng tần qua khuếch đại công suất, qua ống dẫn sóng đến ăng ten và phát lên vệ tinh.
Thiết bị ghép và chia trung tần, bộ nâng/hạ tần: có tần số bộ dao động nội chất lượng cao, có đầu vào cho tín hiệu tham chiếu, bước điều chỉnh tần số nhỏ, độ ổn định tần số cao trước sự biến động của nhiệt độ cũng như thời gian sử dụng.
Bộ định thời: cung cấp tần số chuẩn cho các thiết bị trong Hub, tạo tín hiệu tham chiếu để đồng bộ sóng mang từ các trạm đầu cuối.
Các router và switch dùng trong nội bộ trạm Hub để tạo mạng riêng, và lưu chuyển dữ liệu, thông tin, tín hiệu trong phần băng cơ sở.
Thiết bị kết nối đường backbone và đường trục nhánh: modem quang, ghép kênh quang, chuyển đổi luồng E1.
Thiết bị kết nối VSAT: server quản lý, server VoIP, thiết bị chuyển đổi báo hiệu số 7.
Thiết bị kết nối truyền ảnh: bộ thu và giải mã video, bộ nén và phát video. Phần mềm quản lý điều hành mạng M&C được cài đặt trong server quản lý điều hành. Ngoài ra trạm Hub còn có thêm một số máy tính được kết nối đến các server thông qua mạng nội bộ để phục vụ công tác giám sát, quản lý mà không nhất thiết phải tiếp cận trực tiếp với rack đặt thiết bị đặt trong phòng riêng biệt.
Hệ thống thu beacon và điều khiển ăng ten bám vệ tinh: máy thu cần có độ nhạy thu cao, khả năng điều chỉnh bước tần số để thu beacon nhỏ, chu kỳ quét tín hiệu và điều khiển bám cao.
Hệ thống nguồn: UPS, tủ phân phối điện, máy nổ. Hệ thống điều hòa, chiếu sáng, thông gió.
1.4.2. Trạm mặt đất đầu cuối
Trạm đầu cuối là các trạm cung cấp dịch vụ trực tiếp đến người sử dụng qua giao diện với người dùng như điện thoại, máy tính, fax, màn hình, camera..
Các trạm đầu cuối được tổ chức theo hình sao, lưới hoặc sao lưới hỗn hợp, truy nhập theo phương thức truy nhập ngẫu nhiên theo yêu cầu (DAMA) hay truy nhập ấn định trước (PAMA). Các trạm đầu cuối có thể kết nối với trạm Hub hoặc kết nối trực tiếp với nhau không qua Hub để tiết kiệm băng thông.
Người dùng có thể sử dụng nhiều loại hình dịch vụ khác nhau tại trạm đầu cuối như thoại/fax, truyền số liệu, truy cập mạng riêng, truy cập Internet, video streaming, truyền hình hội nghị...
Mạng thông tin vệ tinh về mặt quản lý thường có cấu hình tập trung. Lưu lượng cuộc gọi vào mạng mặt đất (và từ mạng mặt đất vào mạng vệ tinh) được đưa đến Hub sau đó đi theo mạng PSTN đến máy bị gọi. Các cuộc gọi từ mạng mặt đất vào mạng thông tin vệ tinh được tập hợp về gateway, theo đường cáp quang đến trạm Hub trung tâm mạng thông tin vệ tinh và phát lên không gian tới trạm đầu cuối bị gọi.
Hình 1.10: Sơ đồ khối trạm đầu cuối điển hình
Thiết bị chính của trạm đầu cuối bao gồm: - Ăng ten.
- Bộ khuếch đại công suất (BUC-Block Up Converter).
- Bộ khuếch đại tạp âm thấp và hạ tần (LNB-Low Noise Block).
- Bộ nâng/hạ tần: trong trạm mặt đất hiện đại, BUC và LNB kiêm nhiệm chức năng nâng hạ tần. Tín hiệu đầu ra modem là băng L (1- 2GHz) được đưa trực tiếp tới đầu vào BUC, khuếch đại và chuyển tới ăng ten phát lên vệ tinh. Tín hiệu thu từ vệ tinh sau khi qua ăng ten, tới LNB và đưa thẳng tới đầu vào modem để giải điều chế, giải mã để xuất thông tin ra thiết bị đầu cuối người sử dụng.
- Thiết bị tách ghép kênh: đối với hệ thống sử dụng công nghệ IP, thiết bị ghép kênh đầu vào được thay bằng thiết bị chuyển mạch (switch). - Thiết bị đầu cuối giao tiếp người sử dụng: điện thoại, màn hình, máy
tính cá nhân...
- Thiết bị nguồn: UPS
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành viễn thông, nhiều loại hình trạm mặt đất xuất hiện. Điển hình có thể kể đến:
Trạm chỉ thu là trạm mặt đất chỉ thu tín hiệu phát xuống từ vệ tinh, thông tin một chiều. Một ví dụ phổ thông cho loại hình này là các trạm thu truyền hình vệ tinh DTH (Direct To Home) có ăng ten kích thước nhỏ (0,6 - 0,8m) kèm theo bộ thu truyền hình kiêm chức năng giải nén, giải mã. Tín hiệu sau giải mã được đưa thẳng đến lối vào ăng ten TV.
Trạm vệ tinh khẩu độ nhỏ VSAT (Very Small Aperture Terminal) thực hiện thông tin tương tác hai chiều đến vệ tinh. Đặc điểm của VSAT là có ăng ten dưới 2,4m. Do đường kính ăng ten nhỏ, công suất phát thấp nên để đạt được mức tín hiệu tốt ở đầu vào máy thu, trạm VSAT thường hoạt động ở tần số cao (băng Ku: 11-14GHz, Ka: 27-40GHz). VSAT thường được sử dụng trong mô hình mạng cần đưa cùng một thông tin đến nhiều người dùng đầu cuối hoặc các người dùng tản mát về loại hình dịch vụ với dung lượng thấp (truy nhập mạng, dịch vụ dữ liệu, thoại, mạng máy tính..). VSAT thường có giá trị thấp, khoảng dưới 5000USD. Có thể nói VSAT là hình thức trạm đầu cuối cấp độ thấp (lower end) phục vụ đa dạng các loại hình dịch vụ. Trạm mặt đất cấp độ cao (upper end) là trạm hoạt động với dung lượng đến mức trăm Mbs, năng lực phục vụ tương đương vài ngàn kênh thoại, giá trị lên đến chục triệu USD, ví dụ: trạm trung chuyển quốc tế.
1.5. Mạng thông tin vệ tinh
Trạm thông tin mặt đất thực hiện kết nối với nhau và với các hệ thống viễn thông khác như mạng truyền dẫn, mạng riêng chuyên dùng, mạng di động, PSTN, Internet.. thông qua vệ tinh dưới sự điều khiển kết nối, phân phối tài nguyên băng thông của một trạm quản lý trung tâm gọi là Hub. Các trạm thông tin mặt đất có cùng cách thức vận hành, áp dụng cùng một quy định hoạt động và do cùng một bộ phận quản lý (HUB) tạo nên mạng lưới thông tin vệ tinh. Minh họa mô hình mạng thông tin vệ tinh điển hình xem hình 1.11.
Hình 1.11: Mạng thông tin vệ tinh
Cấu hình mạng thông tin vệ tinh thực chất là mô hình kết nối thông tin của các trạm trong mạng. Về cơ bản cấu hình mạng bao gồm: hình sao, lưới, và sao- lưới hỗn hợp. Nhiều tài liệu còn đề cập đến các cấu hình khác như cấu hình sao đa cấp, lưới không toàn phần.. . song về cơ bản vẫn có thể xếp gọn vào trong ba loại hình nêu trên.
Cấu trúc mạng hình sao:
Mạng được xây dựng quanh một trạm trung tâm “Hub”. Trạm này thông tin với tất cả các trạm đầu cuối còn lại. Thông tin trực tiếp chỉ có giữa trạm đầu cuối và Hub. Trong mạng sao, không có kết nối trực tiếp giữa hai trạm đầu cuối. Các trạm đầu cuối muốn liên lạc với nhau phải qua Hub làm trung gian. Như vậy, khoảng cách cũng như thời gian trễ đường truyền tăng gấp đôi so với hình thức liên lạc trực tiếp.
Sơ đồ cấu trúc mạng dạng hình sao được trình bày trên hình 1.12.
Hình 1.12: Cấu trúc mạng hình sao
Ưu điểm:
Cấu trúc mạng hình sao không yêu cầu chặt chẽ về công suất phát và hệ số tăng ích đầu thu do cả trên đường lên và đường xuống đều có sự tham gia của
VSAT VSAT
HUB
trạm Hub với khả năng dự phòng công suất cao. Nhờ vậy, kích thước trạm đầu cuối nhỏ, giá thành thấp, mạng có hiệu quả kinh tế cao đặc biệt khi số lượng trạm đầu cuối lớn. Cấu hình này thuận lợi cho các ứng dụng điểm - đa điểm và là cấu hình điển hình của mạng VSAT (với mục tiêu phổ biến là thiết lập thông tin từ một số lớn người dùng tản mát về trung tâm).
Nhược điểm:
Liên lạc giữa hai trạm đầu cuối bất kỳ phải qua 2 bước nhảy vệ tinh với Hub làm trung gian, vì vậy độ trễ truyền tin lớn.
Cấu trúc mạng hình lưới:
Trong cấu trúc lưới các trạm đầu cuối có thể liên lạc trực tiếp với nhau thông qua vệ tinh sau khi đã được thiết lập kết nối, Hub chỉ đóng vai trò như một trung tâm quản lý mạng có trách nhiệm phân bố kênh. Như vậy liên lạc giữa các trạm đầu cuối - trạm đầu cuối được thực hiện chỉ qua một bước nhảy. Cấu trúc này có đặc điểm phù hợp với hệ thống các trạm có lưu lượng thông tin với nhau lớn, thường xuyên hoạt động. Trong nhiều mạng thông tin vệ tinh công nghệ mới, hình thức này được cải tiến thành mạng lưới với trạm chủ (Master) là một trong số các trạm đang hoạt động trên mạng. Khi trạm chủ vì lý do nào đó ngừng hoạt động thì lập tức một trong số các trạm còn lại sẽ đảm nhận nhiệm vụ. Kiểu tổ chức mạng này có sức sống còn rất cao, rất phù hợp với các mạng thông tin phục vụ an ninh quốc phòng.
Sơ đồ cấu trúc mạng dạng hình lưới được trình bày trên hình 1.13. Ưu điểm:
Liên lạc từ đầu cuối đến đầu cuối qua một bước nhảy, giảm trễ tín hiệu, tăng tính thời gian thực của cuộc gọi.
Nhược điểm:
Cấu hình lưới, tham số của các trạm đầu cuối phải lựa chọn giữa việc tăng kích thước anten hay giá thành trạm đầu cuối và giá thành bộ phát đáp.
Hình 1.13: Cấu trúc mạng hình lưới
VSAT VSAT
VSAT
Trên thực tế, mạng lưới ít được sử dụng do giá thành cao hơn nhiều so với mạng hình sao khi số lượng trạm ≥ 200. Tuy nhiên, mạng thông tin chiến lược với số lượng trạm dưới 100 rất phù hợp với cấu hình này.
Mạng vệ tinh thực tế thường là sự kết hợp giữa hai cấu hình cơ bản nêu trên nhằm tận dụng các ưu điểm của cả hai loại cấu trúc và phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Các điểm có lưu lượng thông tin lớn được ưu tiên kết nối với nhau theo kiểu lưới, điểm có dung lượng thông tin thấp kết nối theo kiểu sao nhằm đảm bảo tính cơ động, đơn giản về thiết bị và giảm chi phí hệ thống.
1.6. Hiệu năng mạng thông tin vệ tinh
Khi xây dựng mạng thông tin vệ tinh, ba vấn đề luôn được quan tâm hàng đầu về hiệu năng mạng là:
- Đạt được mục tiêu, yêu cầu phục vụ của mạng; - Chất lượng thông tin;
- Hiệu quả kinh tế trên cơ sở đáp ứng được yêu cầu đặt ra.
Đối với mạng thông tin được xây dựng để kinh doanh, ba vấn đề nêu trên vẫn không thay đổi tuy thứ tự ưu tiên có khác khi tính hiệu quả kinh tế thường được xếp hàng đầu.
Mạng thông tin phục vụ công ích, vấn đề hiệu quả kinh tế ít khi được xem xét cẩn thận do tính mục đích được chú ý nhiều hơn.
Để đạt mục tiêu đề ra, mạng thông tin vệ tinh cần phải cung cấp được các dịch vụ phù hợp đến người sử dụng đầu cuối có nhu cầu tương ứng như: thoại/fax, truyền số liệu, truy nhập mạng riêng, truy nhập mạng Internet, truyền hình ảnh, truyền hình hội nghị, chia sẻ ngang hàng... Loại hình dịch vụ được xác định ngay từ khi lập dự án xây dựng hệ thống. Bên cạnh đó, hệ thống phải có khả năng vận hành trơn tru, ít lỗi và sự cố, thuận tiện cho công tác khai thác, bảo trì bảo dưỡng. Đối với một số hệ thống chuyên dụng, tính sống còn của hệ thống rất được quan tâm thể hiện qua yêu cầu về dự phòng thiết bị, dự phòng trạm đầu cuối, dự phòng hệ quản lý điều hành...
Chất lượng thông tin lưu chuyển trong mạng được xác định thông qua nhiều chỉ số khác nhau như S/N, C/N, Eb/No, BER.. Đối với mạng thông tin vô tuyến số, chỉ tiêu thường được sử dụng là BER hoặc Eb/No. Chỉ tiêu chất lượng phụ thuộc nhiều vào công nghệ thiết bị, kỹ thuật điều chế, mã hóa, sửa lỗi.
Mạng thông tin vệ tinh ngành Công an sử dụng công nghệ DVB-S2 hiện đại với cơ chế tự điều khiển thông số đường truyền (công suất phát, mã hóa, sửa lỗi) yêu cầu BER tối thiểu đạt 10-5 (tương đương Eb/No ≈ 9dB) có tính đến dự
phòng cho mưa trên tuyến là 12dB cho đường lên (uplink-UL) và 7dB cho đường xuống (downlink-DL).
Chỉ tiêu hiệu quả kinh tế là vấn đề rất khó đoán định. Thông thường hiệu quả kinh tế chỉ được xác định trên cơ sở lý thuyết với thông tin khảo sát về nhu cầu dịch vụ, số lượng người sử dụng, tần suất sử dụng, chi phí người dùng sẵn sàng bỏ ra để hưởng dịch vụ, khả năng phát triển người dùng, chi phí thuê băng thông, khấu hao thiết bị.. và hàng loạt các tham số về tình hình kinh tế chính trị, tốc độ phát triển kinh tế, xu hướng công nghệ, sở thích cá nhân.. Công tác khảo sát càng chi tiết càng hạn chế rủi ro đầu tư. Đánh giá hiệu quả kinh tế dựa trên một số chỉ số như: suất đầu tư, thời gian thu hồi vốn...
Mạng thông tin vệ tinh ngành Công an, với đặc thù là mạng viễn thông chuyên dùng, phục vụ riêng cho công tác thông tin liên lạc trong ngành, đáp ứng