Từ các đặc tính riêng biệt của thông tin hàng không như thông tin là hai chiều từ hub đến các trạm VSAT xa và vùng quản lý của hàng không được
HUB – Xe THHN 2Mb HUB VSAT 32Kb 6MHz 4MHz 4MHz HUB – Xe THHN 2Mb HUB – VSAT 128Kb HUB – VSAT 64Kb 12MHz 4MHz
chia làm hai, vùng một (FIR NBO): từ Đà Nẵng trở ra do Nội Bài quản lý; vùng hai (FIR HCM): từ Đà Nẵng trở vào do Tân Sơn Nhất quản lý. Vì vậy, ta nhận thấy có thể thiết kế mạng VSAT cho hệ thống thông tin hàng không dựa trên hai mạng VSAT có cấu trúc hình sao cỡ nhỏ, trong đó trạm Hub đặt tại các Nội Bài và Tân Sơn Nhất và trạm đầu cuối VSAT đặt tại các trạm xa, Đà Nẵng và hub của mạng sao còn lại, mô tả như hình 3.5 dưới đây.
Hình 3.5: Cấu trúc mạng VSAT hàng không Việt Nam 3.3.2. Lưu lượng của các trạm VSAT
Trạm VSAT loại 1: Bao gồm các trạm VSAT Vinh, Đà Nẵng, Vũng Chua, Cà Mau là các trạm VSAT có các nguồn dữ liệu:
* Đường lên (VSAT đến Hub):
Bao gồm tín hiệu dữ liệu của radar, điện văn; thoại đường dài, thoại nội bộ với tổng cộng dung lượng cho một trạm tối thiểu: 197.6 Kbps. Ta dùng luồng 256 Kbps
* Đường xuống (Hub đến VSAT):
256K 64K 256K 64K 128K 64K 64K 64K 256K 256K 128K 64K 64K 6 4K 256K Tân Sơn Nhất (HubII) Đà Nẵng Nội Bài (Hub I) Cát Bi Vinh Vientiance Mộc Châu ĐiệnBiên Vũng Chua Phú Cát Ban Mê Thuột Phú Quốc Cà Mau Phan Rang Đồng Hới
Bao gồm các tín hiệu dữ liệu điện văn, thoại đường dài, thoại nội bộ, Tổng cộng dung lượng cho một trạm tối thiểu: 188 Kbps. Ta dùng luồng 192 Kbps.
Trạm VSAT loại 2: bao gồm các trạm còn lại. Với các trạm này vì không nằm trên các tuyến đường hàng không nên không có thoại VHF đường dài, tín hiệu radar. Vì vậy các tín hiệu truyền tải chỉ là thoại nội bộ, thoại Hotline, và tín hiệu điện văn, dung lượng chỉ còn: 50.2 Kbps, ta dùng luồng 64 Kbps cho cả đường lên và xuống. Riêng 2 trạm Mộc Châu và Ca Mau là 128 Kbps.
Với luồng tín hiệu từ Hub1 đến Hub2 (Nội Bài đến Tân Sơn Nhât): Có các tín hiệu: tín hiệu radar, thoại nội bộ, tín hiệu điện văn AFTN, thoại đường dài với tổng dung lượng khoảng 245.6 Kbps. Ta sử dụng đường truyền với dung lượng 256 Kbps.
Với luồng từ Hub2 về Hub1 (Tân Sơn Nhất đến Nội Bài): Có các tín hiệu: Radar, thoại nội bộ, tín hiệu điện văn, thoại đường dài với dung lượng 207 Kbps. Ta dùng luồng 256 Kbps.
Tổng lưu luộng luồng lên: Từ VSAT tới Hub: 1152 Kbps Tổng lưu lượng luồng xuống: từ Hub tới VSAT: 1088 Kbps Lưu lượng của từng trạm được mô tả ở phụ lục 1.
3.4. Lựa chọn công nghệ và thiết bị Modem
Phần trên ta đã so sánh công nghệ chuyển mạch kênh và công nghệ chuyển mạch gói IP. Hiện nay trên thị trường có nhiều nhà sản xuất thiết bị thông tin vệ tinh băng rộng trên nền IP như iDirect, Hughes Communication, Comtech, Advantech, ..v.v.
Sản phẩm của sự nghiên cứu và phát triển kỹ thuật D-TDMA, sự cải tiến đáng kể hiệu năng của TCP/IP, thông tin vệ tinh và công nghệ thuật toán phần
mềm dẻo đã mang lại kết quả trong việc cung cấp một sự kết hợp duy nhất của tính linh hoạt, tin cậy và kinh tế đáp lại các thách thức từ vệ tinh truyền thống hoặc nhà cung cấp hạ tầng mặt đất.
Từ những ưu điểm vượt trội của giải pháp công nghệ iDirect, tác giả đã lựa chọn giải pháp công nghệ của iDirect để xây dựng hệ thống thông tin hàng không dân dụng với vệ tinh VINASAT-1.
iDirect sản xuất nhiều dòng sản phẩm cho Hub và Router vệ tinh để phù hợp với các lớp yêu cầu của người dùng khác nhau. Tiêu biểu đối với các dòng sản phẩm cho Hub vệ tinh là: iSCPC Concentrator, Mini Satellite Hub 10000 series, Universal Satellite Hub 1200 series và Universal Satellite Hub 1200 series. Tiêu biểu đối với các dòng sản phẩm cho router vệ tinh là: iNFINITI 3000 series Satellite Router, iNFINITI 5000 series Satellite Router, iNFINITI 7000 series Satellite Router, Evolution X3 Satellite Router và Evolution X5 Satellite Router.
Qua tham khảo tính năng của từng dòng sản phẩm trên đây, căn cứ vào cấu hình và yêu cầu thông lượng của mạng tác giả quyết định lựa chọn các thiết bị mạng của iDirect như sau:
Thiết bị Modem tại Hub: sử dụng iDirect mini Hub 10000 series, Model 10110 satellite Hub (Minh hoạ trên hình 3.6). Trạm Mini Hub là một trạm độc lập được tích hợp với hệ thống hub vệ tinh trong một cấu trúc mạng VSAT hình sao cỡ nhỏ. Nó có thể phục vụ tới 15 trạm đầu cuối. Do đó Hệ thống Mini Hub được đề xuất có thể đáp ứng được nhu cầu mở rộng trong tương lai của mạng VSAT. Hệ thống Mini Hub của iDirect được trang bị các khả năng định tuyến và xử lý thông minh. Nó hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu luồng xuống (downstream) từ 128 kbps tới 18 Mbps và từ 64 kbps tới 5 Mbps luồng lên (upstream).[10]
Thiết bị modem tại trạm xa: Sử dụng Router vệ tinh iNFINITI 3000 series, Model 3100 (minh hoạ trên hình 3.7). Bộ định tuyến iNFINITI 3100 cung cấp kết nối IP băng rộng một cách tin cậy cho các ứng dụng mạng tốc độ cao, như là thoại (VoIP), truy cập Internet, truyền các file, truyền gửi dữ liệu qua mạng đến nhiều địa chỉ cùng một lúc và hội thảo video trực tuyến. Nó là một bộ định tuyến vệ tinh đầu xa trong cấu trúc hình sao, được thiết kế theo giải pháp đơn khối rất thuận tiện trong triển khai bố trí (Mô-đem, Bộ định tuyến IP, tăng tốc TCP và HTTP, nâng cao chất lượng dịch vụ QoS và định mức ưu tiên). Nó hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu lên tới 17.5 Mbps đối với luồng xuống (Hub đến trạm đầu xa) thông qua việc sử dụng ghép kênh phân chia thời gian (TDM) và tốc độ luồng lên (trạm đầu xa đến hub) tới 5 Mbps thông qua việc sử dụng Đa truy nhập phân chia theo thời gian - đa tần số (MF- TDMA).[10]
Hình 3.7: Modem IP VSAT đầu xa
3.5. Tính toán băng thông cho mạng
3.5.1. Đặc điểm luồng xuống (Downstream)
Sơ đồ truyền dẫn luồng xuống, từ trạm Hub tới trạm VSAT dựa trên kỹ thuật ghép kênh phân chia theo thời gian (TDM). Nó sử dụng dạng sóng luồng xuống iNFINITI TDM của iDirect. Dạng sóng TDM của riêng iDirect có một số công nghệ tiên tiến như kỹ thuật mã hoá Turbo, kỹ thuật đóng gói IP độc nhất của iDirect. Nó truyền các gói dữ liệu theo cách mà nó cho phép tận dụng tối đa băng thông được cấp phát.
Kiểu điều chế là 8-PSK. Mã sửa lỗi trước (FEC) là mã TPC với tỉ lệ mã hoá là 0.793. Kích thước khối là 512 byte hay 4096 bit (4k), có cấu trúc được thể hiện trên hình 3.8 dưới đây.
Sơ đồ truyền dẫn luồng xuống có hiệu quả phổ toàn bộ là 1.856bps/Hz, đã bao gồm giãn cách giữa các sóng mang (1.25 x tốc độ symbol), điều chế, FEC và overhead. Luồng xuống này yêu cầu Eb/N0 là 7dB cho tỷ lệ lỗi bít (BER) = 10-8.
3.5.2. Đặc điểm luồng lên (Upstream)
Sơ đồ truyền dẫn luồng lên từ trạm VSAT tới trạm Hub dựa trên kỹ thuật D-TDMA của iDirect. Sơ đồ luồng lên sử dụng dạng sóng luồng lên kiểu iNFINITI. Khuôn dạng khung TDMA hoàn toàn có thể cấu hình. Đối với mạng VSAT này, sử dụng khuôn dạng khung cỡ 125ms để hỗ trợ liên lạc thoại. Mỗi khung TDMA gồm một số khe thời gian hay cụm TDMA. Mỗi trạm đầu cuối VSAT được dành riêng một khe thời gian. Các khe còn lại được cấp phát theo thời gian thực cho các trạm khi có nhu cầu. Cấu trúc khung TDMA được thể hiện trên hình 3.9. Sử dụng kiểu điều chế QPSK. FEC là TPC với tỉ lệ mã 0.793. Kích thước khối là 4096 bit, mỗi khe thời gian chứa một khối FEC.
Hình 3.9: Cấu trúc khung TDMA 3.5.3. Tính băng thông chiếm dụng của mạng
Như trên ta tính được tổng lưu lượng luồng lên và luồng xuống. Từ đây ta tính được băng thông chiếm dụng nhờ công thức [1]:
) )(1 (1 k.r R B= +α +β ( 3.1)
Trong đó: - R: tốc độ bít
- k = log2M, với M là mức mã hóa - r: tỷ lệ mã hóa.
- α: hệ số uốn cong của bộ lọc (= 0,3÷0,5) - β: hệ số méo phi tuyến (=0,1÷0,8)
Theo (3.1) với α = 0,3, β = 0,1 và với đặc điểm luồng lên, xuống như trên, ta tính được:
- Với tốc độ truyền dẫn luồng lên: RInbound = 1152kbps - Băng thông luồng lên : BInbound = 1038KHz
- Với tốc độ truyền dẫn luồng xuống: ROutbound = 1088kbps - Băng thông luồng xuống: BOutbound = 654KHz
3.6. Tính toán quỹ năng lượng đường truyền qua vệ tinh địa tĩnh
Các tham số đầu vào phục vụ tính toán đã biết như:
Các tham số vệ tinh VINASAT-1 như giới thiệu ở chương 1.
Yêu cầu về BER đối với đường truyền: BER≤ 10-8
Các tham số trạm Hub và trạm VSAT:
- Vị trí trạm Hub và các trạm VSAT như hình 3.5
- Tần số tuyến lên, tần số tuyến xuống: đang tiến hành thuê nên ta giả định các tần số tuyến lên và xuống với các cận trên là 6725MHz và 3400MHz
- Kích thước anten dùng cho trạm Hub và trạm VSAT: Dự tính sử dụng anten đường kính 4.5m cho trạm Hub và 2.4m cho các trạm VSAT.
- Dự định kiểu điều chế và tỉ lệ FEC cho luồng lên và luồng xuống như đã nói ở trên.
3.6.1. Hệ số tăng ích của anten (G) 2 2 2 4 4 = = c Df D G η π λ π η Hoặc tính theo dB ta có:
G [dBi] = 10logη + 20logf + 20logd + 20,4[dB]
(3.2) Trong đó:
η: hiệu suất anten, nó thường có giá trị (0.6 – 0.7) D:đường kính anten [m]
f: tần số công tác [GHz] 10log{(1*109*π)/c} = 20,4 c = 3.108 m/s: vận tốc ánh sáng Lấy η = 0,6 và thay các giá trị khác vào ta được:
GHUB_Tx = 10log(0,6) + 20log(6,725) + 20log(4,5) + 20,4 = 47,8 [dBi] GHUB_Rx = 10log(0,6) + 20log(3,700) + 20log(4,5) + 20,4 = 42,7 [dBi] GVSAT_Tx = 10log(0,6) + 20log(6,725) + 20log(2,4) + 20,4 = 42,3 [dBi] GVSAT_Rx = 10log(0,6) + 20log(3,700) + 20log(2,4) + 20,4 = 37,2 [dBi]
3.6.2. Suy hao không gian tự do Suy hao không gian tự do Suy hao không gian tự do
L0 = (4πd/λ)2
L0 = 20logd + 20logf + 92,5 [dB]
(3.3) Trong đó :
• d là khoảng cách giữa máy thu và máy phát [km] • f là tần số [GHz]
Khoảng cách từ trạm mặt đất đến vệ tinh : φ λ cos cos 2 2 2 E S E S E R R R R d = + − (3.4) Trong đó : λE : vĩ độ của trạm mặt đất.
φ :kinh độ tương đối của trạm mặt đất so với vệ tinh. φ = φS - φE. RE = 6378.14 km là bán kính trung bình của trái đất.
RS = 42164.57 km là độ cao của vệ tinh địa tĩnh.
Kết quả tính toán suy hao không gian tự do đối với đường lên và đường xuống cho tất cả các trạm trong mạng được cho trong phụ lục 2. Để tính toán quỹ năng lượng đường truyền cho mạng, ta chọn trạm Hub và trạm VSAT có suy hao lớn nhất.
3.6.3. Suy hao khí quyển LA = LAG.LRAIN LA = LAG.LRAIN
LA[dB] = LAG [dB] + LRAIN[dB] (3.5)
Trong đó :
LAG là suy hao khí quyển khi trời trong. Nó phụ thuộc vào góc ngẩng và tần số. LAG có thể chọn theo bảng 3.1.
Bảng 3.1: Suy hao khí quyển theo tần số
Suy hao khí quyển [dB] Tần số [GHz]
0.25 2 < f < 5
0.33 5 < f < 10
0.53 10 < f < 13
0.73 13 < f
LRAIN là suy hao thêm trong trường hợp có mưa. Nó phụ thuộc vào cường độ mưa và độ sâu của vùng mưa. Việt Nam là nước nằm trong vùng nhiệt đới. Tác giả sử dụng phần mềm Satmaster Pro Mk8.3g Demo để tính, một trong
những ứng dụng được ITU-R cho phép. Kết quả tính được thể hiện trong phụ lục 2. Và để tính toán ta cũng chọn trạm Hub và VSAT có giá trị tổn hao lớn nhất.
3.6.4. Tính toán tuyến lên
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương (EIRP) của trạm mặt đất EIRPES[W] = GTXPTX
hay EIRP[dBW] = 10log(PTX) + GTX[dBi] (3.6) Trong đó:
• PTX: công suất đầu vào anten[W] • GTX:hệ số tăng ích anten phát
Với thiết kế trạm Hub có công suất 20W và trạm VSAT là 10W. Tổn hao fi-đơ giữa máy phát và anten là 0.5dB. Ta có kết quả như sau:
EIRPHUB = 10log(20) – 0.5 + 47.8 = 60.31 dBW EIRPVSAT = 10log(10) – 0.5 + 42.3 = 51.84 dBW Suy hao không gian tự do: từ phụ lục 2 ta có LFS_VSATU = 200.36 dB; LFS_HUBU = 200.42 dB
Suy hao khí quyển khi trời trong theo bảng 3.1 ta có: LAG_VSATU = 0.33 dB; LAG_HUBU = 0.33 dB
Suy hao khí quyển khi trời có mưa với thời gian sẵn sàng 99.99% trong 1 năm: từ kết quả tính ở phụ lục 2 ta có:
Lrain_VSATU = 5.03 dB; Lrain_HUBU = 4.87 dB. Suy hao do lệch hướng anten phát [dB]
2 2 3 70. . . 12 12 ] [ = = c D f dB L T dB T T α θ α (3.7) Trong đó:
- f: tần số công tác [GHz] - D: đường kính anten phát
Đối với loại anten cố định thì sử dụng công thức:
[ ] 9 2 max 10 * 21 2 2 2 . 0 12 + = U D U T Df SKW f f dB L (3.8) Trong đó:
- SKW: một nửa độ rộng cửa sổ mở rộng của vệ tinh - fU: tần số công tác tuyến lên
- fD: tần số công tác tuyến xuống
Với SKW của VINASAT-1 = 0.050 ta có LTmax = 1.59 dB
Suy hao do lệch phân cực giữa anten phát và anten thu: Lpol = 0.3 dB Suy hao tổng cộng tuyến lên:
LUVSAT = LFS_VSATU + LAG_VSATU + Lrain_VSATU + LTmax + Lpol = 200.36 + 0.33 + 5.03 + 1.59 + 0.3 = 207.61 dB LUHUB = LFS_HUBU + LAG_HUBU + Lrain_HUBU + LTmax + Lpol
= 200.42 + 0.33 + 4.87 + 1.59 + 0.05 = 207.26 dB
Công suất sóng mang tại vệ tinh:
- Do trạm HUB phát lên = EIRPHUB – LUHUB
= 60.31 – 207.26 = -146.95 dBW - Do trạm VSAT phát lên = EIRPVSAT – LUVSAT
=51.84 – 207.61 = -155.77 dBW
Mật độ thông lượng công suất tại vệ tinh:
φ = EIRPES.G1/LU [W/m2]
hay φ[dBWm-2] = EIRPES[dBW] + G1[dBi] – LU[dB] (3.9) trong đó G1 là tăng ích của anten lý tưởng có diện tích 1m2.
Từ đây ta tính được mật độ thông lượng công suất của trạm VSAT và trạm Hub tại vệ tinh là:
φVSAT = 51.84 + 38 – 207.61 = -117.77 dBW/m2
φHUB = 60.31 + 38 – 207.26 = -108.95 dBW/m2
Độ lùi công suất đầu vào (IBO) bộ phát đáp đối với các sóng mang từ Hub và VSAT
IBO =φ - φSAT + (G/T)sl (3.10)
trong đó φSAT là mật độ thông lượng bão hoà của vệ tinh
IBOSL_VSAT = φVSAT - φSAT + (G/T)sl = -117.77 – (-85) + (-0.3) = -33.07 dB IBOSL_HUB = φHUB - φSAT + (G/T)sl = -108.95 – (-85) + (-0.3) = -24.25 dB
Tỉ số sóng mang trên mật độ phổ công suất tạp âm tuyến lên (C/N0) là: (C/N0)U = EIRPES – LU + (G/T)SL + 228.6 [dBHz] (3.11) từ đây ta có:
(C/N0)UVSAT = EIRPVSAT – LUVSAT + (G/T)SL + 228.6 = -155.77 + (-0.3) + 228.6 = 72.53 dB (C/N0)UHUB = EIRPHUB – LUHUB + (G/T)SL + 228.6
= -146.95 + (-0.3) + 228.6 = 81.35 dB
Tỉ số công suất sóng mang trên tạp âm (C/N)U
(C/N)U = (C/No)U – 10log(B) [dB] (3.12) Trong đó: B là băng thông sóng mang. Với các băng thông được tính ở phần 3.5.3 ta có:
- (C/N)UHUB = (C/N0)UHUB – 10log(654000) = 23.2 dB - (C/N)UVSAT = (C/N0)UVSAT – 10log (1038000) = 12.37 dB 3.6.5. Tuyến xuống và trạm mặt đất thu
Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương của vệ tinh EIRPSL = EIRPSlsat.OBO [W]
Trong đó:
- EIRPSlsat là công suất nhận được khi bộ khuếch đại của bộ phát đáp làm việc ở điểm bão hoà.
- OBO là độ lùi công suất đầu ra, được tính theo công thức: OBO[dB] = 0.9(IBO[dB] +5) nếu IBO < -5 dB
OBO = 0 [dB] nếu 5dB < IBO < 0 dB (3.14) EIRPSL-VSAT[dBW] = 42 + 0.9(-24.25 + 5) = 24.68 dB
EIRPSL-HUB[dBW] = 42 + 0.9(-33.07 + 5) = 16.74 dB
Suy hao không gian tự do: từ kết quả tính theo công thức (3.2) ở phụ lục 2 ta có:
LFS_HUBD = 194.40 [dB]; LFS_VSATD = 194.44[dB]
Suy hao khí quyển khi trời trong theo bảng 3.1 là: LAG_HUBD = 0.25; LAG_VSATD = 0.25