2.2.5. Một số vấn đề tồn tại
Mạng thông tin vệ tinh Bộ Công an là một phần trong dự án lớn Vinasat của Chính phủ với tên gọi ban đầu là Dự án Vinasat thành phần Bộ Công an. Sau khi vệ tinh Vinasat-I được đưa lên quỹ đạo, các Bộ, Ban ngành bắt đầu gấp rút thực hiện xây dựng mạng mặt đất theo nhu cầu đã đăng ký.
Sau hơn một năm dốc toàn lực lượng kỹ thuật triển khai hệ thống, tháng 02/2010, mạng Thông tin vệ tinh Bộ Công an chính thức thông luồng kỹ thuật, cung cấp dịch vụ đến các trạm thuộc Công an các đơn vị, địa phương. Các dịch vụ cung cấp bao gồm thoại/fax, truyền số liệu, truy nhập mạng diện rộng Bộ Công an, truyền hình hội nghị, truyền ảnh hiện trường. Hiện tại mạng đã triển khai xong cơ bản giai đoạn I với tổng số trên 150 trạm các loại. Dự kiến giai đoạn II của dự án sẽ mở rộng quy mô phục vụ đến hơn 200 trạm.
Về cơ bản, mạng thông tin vệ tinh ngành Công an đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra, đạt với mục đích ban đầu khi xây dựng dự án. Trên 100 điểm đơn vị công an tại vùng sâu, vùng xa, biên giới, hải đảo đã được trang bị trạm cố định đảm bảo thông tin thoại thường xuyên; truyền file, truyền số liệu phục vụ công tác báo cáo, công văn, văn bản nhanh chóng, kịp thời; truy nhập mạng riêng để nắm tình hình chung và tiếp cận với những phương hướng, chỉ đạo mới trong công việc. Một số trạm thoại cơ động đã được trang bị cho địa phương đáp ứng nhu cầu triển khai thông tin tác chiến nhanh tại vùng biên giới, rừng núi, nơi không có hạ tầng viễn thông mặt đất. Bên cạnh đó, 29 xe thông tin cơ động các loại đã phục vụ tốt yêu cầu thông tin chỉ huy cơ động, truyền video trực tiếp từ hiện trường về trung tâm chỉ huy, sẵn sàng tham chiến trong các tình huống khẩn cấp. Tuy nhiên, sau thời gian hoạt động, mạng thông tin vệ tinh ngành công an cũng bộc lộ những thiếu sót cần sớm khắc phục, một số bài học kinh nghiệm cần được tổng hợp, học tập để phòng tránh khi triển khai hệ thống tương tự trong tương lai.
Một số điểm thiếu sót có thể giải quyết bằng chuyên môn kỹ thuật nhưng cũng có những điểm cần phải tiếp cận giải quyết cả theo hướng quản lý, định
hướng chỉ đạo. Những tồn tại trong mạng thông tin vệ tinh ngành công an tác động đến công tác thường xuyên của đơn vị, gây ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động của mạng, về lâu dài dễ gây nhiều hậu quả không tốt đối với hệ thống liên lạc qua vệ tinh phục vụ chỉ huy tác chiến và các công tác nghiệp vụ khác.
Các vấn đề cần giải quyết là:
- Việc xây dựng, tổ chức kết nối mạng theo kiểu lưới là cần thiết để giảm thiểu băng thông yêu cầu trong toàn mạng khi triển khai các dịch vụ băng rộng như truyền hình hội nghị, truyền ảnh hiện trường, truyền dẫn luồng E1, đồng thời tăng độ linh hoạt cho hệ thống. Tuy nhiên, khi tăng số lượng kết nối lưới cùng lúc, chất lượng của các kết nối mạng lưới suy giảm khá rõ rệt. Trong điều kiện thời tiết kém thuận lợi, hình ảnh truyền qua kết nối lưới thường bị giật, vỡ, dừng hình, nặng hơn nữa là mất tín hiệu. Khi thực hiện nhiều kết nối lưới cùng lúc, chất lượng các cuộc gọi băng rộng không cao, các cuộc gọi băng rộng khởi tạo sau thường mất nhiều thời gian để thực hiện kết nối. Vấn đề đặt ra là cần có giải pháp để Tăng cường chất lượng các cuộc gọi khi trạm hoạt động ở chế độ mạng lưới.
- Kinh phí thuê băng thông hiện nay là khá cao, khoảng 12 tỉ/năm với băng thông sử dụng là 16MHz. 16HMHz là băng thông đã được tính toán rất nghặt nghèo nhờ chấp nhận hạn chế băng thông hoạt động của từng trạm và giảm số lượng trạm các loại hoạt động đồng thời. Hậu quả là chất lượng thông tin bị ảnh hưởng, đặc biệt khi nhiều trạm có yêu cầu kết nối cùng lúc. Vấn đề Tiết kiệm chi phí thuê băng thông sử dụng trên vệ tinh đồng thời đảm bảo chất lượng thông tin liên lạc tác chiến được đặt ra song đến nay vẫn chưa có giải pháp hữu hiệu.
- Đối với công tác vận hành, khai thác trạm Hub tại Hà Nội, trái tim của mạng thông tin vệ tinh ngành Công an còn một số bất cập: Bố trí phòng ốc của trạm Hub chưa hợp lý, nhân viên không có chỗ nghỉ tạm sau/trước khi làm ca đêm, không có buồng chứa vật tư thiết bị phụ kiện phục vụ công tác kiểm tra, bảo dưỡng, thay thế; không có buồng họp/làm việc; bố trí hệ thống điều hòa chưa hợp lý: phòng cao tần sử dụng 04 điều hòa cây chạy theo chế độ luân phiên 2 chạy-2 nghỉ trong khi buồng vận hành khai thác và buồng giao tiếp mạng chỉ dùng 01 điều hòa cây 24.000 Btu cùng loại. Việc sử dụng điều hòa như trên là rất tốn điện mà ít hiệu quả, mức đầu tư ban đầu cao, bảo
trì bảo dưỡng khó khăn. Bên cạnh đó, mạng vệ tinh hiện chưa có hệ thống quy trình khai thác, vận hành hoàn chỉnh khiến nhân viên mới tiếp cận khó khăn, không thuận lợi cho khai thác hệ thống hàng ngày. Vấn đề đặt ra là cần có giải pháp để Nâng cao hiệu quả hoạt động trạm Hub tại Hà Nội.
Trên cơ sở thực trạng hệ thống và những vấn đề nảy sinh trong quá trình khai thác vận hành, luận văn xác định phương thức nghiên cứu nâng cao hiệu năng mạng thông tin vệ tinh ngành công an như sau:
- Tìm hiểu, nhận định nguyên nhân làm giảm hiệu năng mạng, ở đây là 03 điểm như đã nêu trên.
- Trên cơ sở nhận rõ nguyên nhân tác động đến hiệu năng mạng thông tin vệ tinh, đề xuất giải pháp thực hiện và có minh họa bằng mô phỏng, tính toán cụ thể.
- Kết hợp với điều kiện, môi trường công tác để đề xuất giải pháp bổ sung, hỗ trợ cho các giải pháp kỹ thuật thành công. Giải pháp bổ trợ có thể theo nhiều hướng: định hướng chính sách, chuyên môn kỹ thuật, công tác quản lý...
CHƯƠNG 3
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN NĂNG LƯỢNG ĐƯỜNG TRUYỀN
Để đưa ra giải pháp cho các tồn tại nêu trên, cần xác định rõ nguyên nhân của các vấn đề. Chất lượng mạng thông tin vệ tinh ngành công an nói riêng và mạng thông tin vệ tinh nói chung phụ thuộc rất lớn vào chất lượng đường truyền vô tuyến. Với đặc tính đường truyền dài (36.000km), chịu tác động của các tầng khí quyển, bị ảnh hưởng lớn bởi mưa đặc biệt đối với vùng tần số cao như băng Ku/Ka, tuyến kết nối thông tin vệ tinh yêu cầu có quỹ dự phòng đủ lớn nhằm đảm bảo duy trì hoạt động của mạng trong nhiều tình huống. Dự phòng đường truyền thông thường được xác định khoảng 20dB cho một tuyến thông tin bao gồm cả đường lên và đường xuống.
Thông qua kết quả tính toán năng lượng đường truyền, tính toán băng thông sử dụng với những điều kiện khác nhau sẽ cho thấy hướng giải quyết vấn đề tiết kiệm băng thông và nâng cao chất lượng kết nối trong mạng hình lưới.
Hầu hết cách tính đường truyền thông thường đều áp dụng đối với kết nối đơn sóng mang giữa Hub và các trạm đầu cuối. Trong phạm vi luận văn có xét đến các kết nối “đa sóng mang bất đối xứng” giữa Hub và nhiều trạm mặt đất. Kết quả tính toán có thể sử dụng đối với hệ thống dùng công nghệ DVB-S/S2 như mạng thông tin vệ tinh Bộ Công an.
3.1. Cơ sở tính toán năng lượng đường truyền
Các sách về thông tin vệ tinh thường phân định đường truyền trong thông tin vệ tinh địa tĩnh bao gồm đường lên (up link-UL) và đường xuống (down link-DL). Đường lên chỉ đường truyền vô tuyến từ trạm mặt đất nói chung hướng đến vệ tinh. Đường xuống chỉ đường truyền vô tuyến từ vệ tinh xuống trạm mặt đất. Đối với hệ thống thông tin vệ tinh hiện đại sử dụng công nghệ DVB-S/S2 như Mạng Thông tin vệ tinh Bộ Công an, hai khái niệm khác hay được đề cập là đường ra (outbound) và đường vào (inbound). Đường ra (outbound) chỉ kết nối từ trạm đầu cuối (remote site) về trạm Hub; đường vào (inbound) chỉ kết nối từ Hub hướng về trạm đầu cuối.
Đối với việc phân tích năng lượng đường truyền, vệ tinh có vai trò quyết định đến chất lượng hoạt động của hệ thống, do đó luận văn sử dụng khái niệm đường lên /đường xuống (xem hình 3.1).
Hình 3.1: Đường lên và đường xuống trong thông tin vệ tinh
Đối với vệ tinh, năng lượng đường truyền thực tế được xác định bởi chế độ hoạt động của bộ phát đáp và ăng ten thu/phát. Thông số sử dụng để tính toán năng lượng đường truyền bao gồm:
-Vị trí vệ tinh (kinh độ) -Tần số thu/phát
-Mức lùi công suất đầu vào (input backoff-IBO) -Mức lùi công suất đầu ra (output backoff-OBO) -Hệ số phẩm chất ăng ten thu (G/Tsat)
-Mật độ thông lượng bão hòa (SFDsat) đặc trưng cho độ nhạy thu đầu vào phát đáp
-Băng thông phát đáp
-Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương bão hòa của ăng ten phát xuống mặt đất (EIRPsat)
Sơ đồ các tầng xử lý tín hiệu của bộ phát đáp về cơ bản xem trong hình 3.2. Đối với trạm mặt đất, các thông số được chú ý bao gồm:
-Vị trí đặt trạm (kinh độ, vĩ độ) -Tần số thu/phát
-Hệ số phản xạ hiệu dụng của ăng ten -Tốc độ luồng thông tin
-Số sóng mang (số trạm liên lạc hoạt động đồng thời với Hub) -Kiểu điều chế (BPSK, QPSK, 8PSK)
-FEC
-Mất mát do feeder -Nhiệt tạp âm
-Mức phát của bộ khuếch đại công suất
Sơ đồ các tầng xử lý của trạm mặt đất và thông số chính xem hình 3.3.
Hình 3.2: Sơ đồ các tầng xử lý tín hiệu của bộ phát đáp
Ngoài các thông số của vệ tinh và trạm mặt đất, các thông số đường truyền có vị trí đặc biệt đối với việc tính toán do khoảng cách truyền sóng vô tuyến đối với thông tin vệ tinh địa tĩnh là rất lớn, khoảng 36.000 km.
Các thông số đường truyền cần xem xét bao gồm: -Suy hao do mưa, tuyết, băng
-Mất mát trong không gian tự do, trong khí quyển, trong tầng ion -Mất mát do sự không thẳng hướng của ăng ten thu và ăng ten phát -Mất mát do lệch phân cực
3.2. Phương pháp tính toán và một số giá trị kinh nghiệm phục vụ thiết kế
- Băng thông chiếm dụng được tính
( ) sym
alloc R
B = 1+ρ+0,2 * (Hz) (3.1) Băng thông điều chế đối với sóng mang số m-PSK:
( ) sym
occup R
B = 1+ρ * (Hz) (3.1.1) Trong đó
ρ: hệ số rolloff
Rsym (symbol/sec): tốc độ ký hiệu của luồng tín hiệu
Rsym = Rbit /(hệ số điều chế*FEC) (3.1.2) FEC: mã sửa lỗi trước (1/2, 3/4, 7/8..)
Rbit (bit/sec): tốc độ bit của luồng tin.
Hệ số điều chế: phụ thuộc vào kiểu điều chế. Với BPSK, hệ số điều chế có giá trị 1, với QPSK là 2.
Băng thông chiếm dụng đối với dòng bit tin điều chế QPSK và áp dụng mã sửa lỗi trước FEC ¾ được tính:
( ) 4 / 3 1 * 2 1 * * 2 , 0 1 bit alloc R B = +ρ+ (3.1.3)
- Độ lợi ăng ten
I D G η λ π 2 2 ) ( = (3.2) Trong đó:
G: (gain) độ lợi ăng ten D: đường kính ăng ten (m)
λ: bước sóng phát (m)
I
η : hệ số mặt phản xạ ăng ten (illumination efficiency). Thông thường
I
η =0,55 ÷ 0,8. Tính theo dB:
|G|dB = 20*log(PI*D/ λ) - 10*log(ηI) (3.2.1) - Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương ăng ten phát trạm mặt đất
EIRP = G * Ps (3.3) Trong đó:
G: độ lợi ăng ten phát
Ps: công suất đầu vào ăng ten (W) Tính theo dB:
|EIRP|dBW = |G|dB + 10*log(PS) (3.3.1) Nếu PT (W) là công suất đầu ra bộ khuếch đại thì:
PS = PT/Feedloss (3.3.2) Hoặc
|PS|dBW = 10*log (PT) - |Feedloss|dB (3.3.3)
Mất mát do phi đơ thông thường được ước tính trong khoảng 0,5 ÷ 1,7dB.
Hình 3.4: Ăng ten phát (a) và ăng ten thu (b)
LNB A T T L L L T L G T G + − + − = 0 1 1 1 1 * 1 / (3.4) Trong đó:
G: độ lợi ăng ten tại tần số thu
L1: mất mát khi truyền sóng qua feeder và ống dẫn sóng, thường lấy trong khoảng 0,5 ÷ 1,7dB.
TA: Nhiệt tạp âm đầu vào ăng ten
T0: Nhiệt độ tạp âm môi trường. Thường lấy giá trị 3000K.
TLNB: Nhiệt độ tạp âm đầu vào bộ khuếch đại tạp âm thấp và hạ tần - Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh
Hay còn gọi là khoảng cách từ ăng ten (thu phát) trạm mặt đất đến ăng ten (phát/thu) vệ tinh. b A R A R
d = earth2 + GSO2 −2* earth* GSO*cos (3.5) Trong đó
d (m): khoảng cách từ ăng ten trạm mặt đất đến ăng ten vệ tinh
Rearth (m): giá trị trung bình bán kính trái đất. Đối với quỹ đạo tầm thấp, bán kính trái đất tại điểm đặt trạm cần được tính chính xác. Trường hợp vệ tinh thông tin địa tĩnh, sự thay đổi của bán kính trái đất là không đáng kể so với khoảng cách đến vệ tinh, do vậy có thể sử dụng giá trị trung bình Rearth.
Rearth = 6371 km (3.5.1)
AGSO (m): bán kính quỹ đạo tròn suy ra từ định luật Kepler III với chu kỳ quay là 24 giờ, 56 phút, 4 giây, bằng chu kỳ tự quay của trái đất. Vệ tinh ở trên quỹ đạo này sẽ có vị trí đứng yên tương đối so với mặt đất, hay còn gọi là vệ tinh địa tĩnh. AGSO = 42164 km (3.5.2) )] cos( * ) ( arccos[cos E SS E b= φ −φ λ (3.5.3) Với φE: kinh độ trạm mặt đất φSS: kinh độ vệ tinh λE: vĩ độ trạm mặt đất
Hình 3.5: Tính khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh
- Góc ngẩng ăng ten trạm mặt đất
Góc ngẩng của ăng ten trạm mặt đất hướng đến vệ tinh được tính:
= b d A
El arccos GSO *sin (3.6)
AGSO=h+aE (3.6.1 - xem hình 3.5)
- Góc phương vị ăng ten trạm mặt đất hướng đến vệ tinh được tính thông qua góc A: = b B A sin sin arcsin (3.7) Trong đó B=(φE −φSS). (3.7.1)
Có hai giá trị A thỏa mãn điều kiện trên, A và 1800- A. Để xác định chính xác góc phương vị Al, cần khảo sát thực tế. Kết quả được tổng hợp trong bảng 3.1. TT λE B Al 1 <0 <0 A 2 <0 >0 3600 - A 3 >0 <0 1800 - A 4 >0 >0 1800 + A