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 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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
Suy hao khí quyển khi trời có mưa: Kết quả tính bằng chương trình
“Satmaster Pro MK8.3g demo” trong phụ lục 2 là: Lrain_HUBD = 0.29 [dB]; Lrain_VSATD = 0.31 [dB]
Suy hao do lệch hướng anten thu được tính giống như trường hợp anten phát và theo công thức (3.8), LRmax = 1.59 dB
Suy hao do lệch phân cực: Lpol = 0.3 dB
Độ tăng ích của anten thu tính theo công thức (3.2) ta được: GRx_HUB = 42.7 dB; GRx_VSAT = 37.2dB
Tạp âm nhiệt:
PN = K*T*B [W] (3.15)
Trong đó:
- K hằng số Boltzmann’s (1,374*10-23 Joule/Kelvin] = -228,6dB - T nhiệt tạp âm tương đương [Kelvin]
Hệ số tạp âm :
F = 1 + (TE/ T0)
Hay F = 10log(1+(TE/T0)) (3.16)
trong đó :
- F là hệ số tạp âm đơn vị (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- TE là nhiệt độ tương đương [Kelvin] - T0 là nhiệt độ chuẩn 290K
Với nhiệt tạp âm của LNB trạm HUB và VSAT đều là 25K thì F = 0.359 dB
Nhiệt tạp âm hệ thống và hệ số phẩm chất G/T
TSYS = TANTEN / L + (1 – 1/L)T0 + TE (3.17) trong đó :
- TE là nhiệt độ tương đương [Kelvin] - T0 là nhiệt độ chuẩn 290K
- TANT là nhiệt độ tạp âm antenna [Kelvin] - L là suy hao hệ thống hứng sóng tính theo số
Với TANTEN_HUB = 32K ; TANTEN_VSAT = 32K ; TE= 25K ; L = 0.5 dB thì : TSYS_HUB = 85.06K ; TSYS_VSAT = 85.06K
- Hệ số phẩm chất máy thu G/T [dB/K] = G – 10logTSYS (3.18) (G/T)HUB = GRx_HUB – 10logTSYS_HUB = 42.7 – 10log(85.06) = 23.4 dB/K
(G/T)VSAT = GRx_VSAT – 10logTSYS_VSAT = 37.2 – 10log(85.06) = 17.9 dB/K
Tỉ số công suất sóng mang trên tạp âm tuyến xuống (C/N)D
(C/N)D = PRX / PN (3.19)
Theo định nghĩa của PRX và PN tại công thức (3.15) :
(C/N)D = {EIRPSL * GRX}/ {K*TSYS B}* LD (3.20) (C/N)D [dB] = EIRPSL – LD + G/T – K – B (3.21) trong đó :
• LD là tổng suy hao đường xuống • G/T là hệ số phẩm chất hệ thống thu
• (K) là hằng số Boltzmann’s (-228,6dBW/K) • B là băng tần sóng mang chiếm
Tỉ số công suất sóng mang trên mật độ tạp âm tuyến xuống (C/N0)D (C/N0)D [dBHz] = EIRPSL - LD + G/T - K (3.22) Hay (C/N0)D [dBHz] = EIRPSL - LD + G/T + 228.6
trong đó: LD = LFS_D + LAG_D + Lrain_D + LRmax + Lpol Thay các giá trị đã tính ở phần trên vào ta có:
LDHUB = 194.4 + 0.25 + 0.29 + 1.59 + 0.3 = 196.83 dB LDVSAT = 194.44 + 0.25 + 0.31 + 1.59 + 0.3 = 196.89 dB
Từ đó ta có: (C/N0)DHUB = 16.74 – 196.83 + 23.4 + 228.6 = 71.91 dB (C/N0)DVSAT = 24.68 – 196.89 + 17.9 + 228.6 = 74.29 dB 3.6.6. Tỷ số công suất sóng mang trên mật độ phổ tạp âm toàn tuyến
(C/N0)-1T = (C/N0)U-1 + (C/N0)D-1 (3.23)
Thay các giá trị đã tính vào (3.23) ta tính được (C/N0) toàn tuyến đối với hướng vào và hướng ra là:
(C/N0)-1T_inbound = (C/N0)-1UVSAT + (C/N0)-1DHUB =
= 1/(100.1*72.53) + 1/(100.1*71.91) = 6.44 x 10-8 hay (C/N0)T_inbound = 1/(6.62 x 10-8) = 15523870.1;
Theo dB ta được: (C/N0)T_inbound = 10log(15523870.1) = 71.9 dB Tương tự ta được: (C/N0)T_outbound = 73.5 dB
Tỉ số năng lượng bit trên mật độ phổ tạp âm
Eb/N0 = (C/ N0)T - 10log R (3.24)
Thay các giá trị vào công thức (3.24) ta tính được
(Eb/N0)Inbound = (C/N0)T_inbound -10logRinbound=71.9–10log(1152000) = 11.3dB (Eb/N0)Outbound=(C/N0)T_Outbound-10logRoutbound =73.5–10log(1088000)=13.1dB
Năng lượng còn dự trữ
Theo tài liệu “iDirect’s link budget analysis Guide” , để đạt được tỉ lệ lỗi bit (BER) cỡ 10-8 với các kiểu điều chế và FEC đã chọn cho luồng ra và vào thì (Eb/N0) yêu cầu với luồng ra và vào lần lượt là : (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(Eb/N0)Outbound = 7 dB (Eb/N0)Inbound = 4.6 dB
Suy ra năng lượng còn dự phòng là: (Eb/N0)Outbound_margin = 13.1 - 7 = 6.1dB (Eb/N0)Inbound_margin = 11.3 – 4.6 = 6.7dB
Toàn bộ phần tính toán này đã được xây dựng trên bảng tính Excel. Kết quả tính quỹ đường truyền được thể hiện trong phụ lục 3.
3.7. Tính toán các tham số lắp đặt Góc phương vị anten: Ta có = E a λ φ sin tan arctan (3.25)
Góc phương vị anten trạm mặt đất Az tuỳ thuộc vào vị trí của trạm mặt đất và được tính theo a tuỳ theo các trường hợp như sau:
φ >0 φ <0
Trạm mặt đất ở bắc bán cầu Az = 180 - a Az = 180 + a
Trạm mặt đất ở nam bán cầu Az = a Az = 360 - a
Góc ngẩng của anten được tính theo công thức:
− − = E S E E R R El λ φ λ φ 2 2 .cos cos 1 / cos . cos arctan (3.26)
Trong đó RE, RS, λE, φ đã cho trong công thức (3.3) Và thường được tính theo công thức:
− − = E E El λ φ λ φ 2 2 .cos cos 1 1512 . 0 cos . cos arctan (3.27)
Góc phân cực trong trường hợp sử dụng phân cực đứng ) ) cos cos 1 ( ) sin( arccos( 2 2λ φ λ ψ E E − = (3.28)
3.8. Lựa chọn phần thiết bị ngoài trời và đặc điểm kỹ thuật của chúng
Từ kết quả tính toán quỹ đường truyền trên đây, tác giả lựa chọn phần thiết bị đầu cuối vệ tinh cho trạm VSAT ở xa và trạm Hub như sau:
3.8.1. Tại trạm đầu cuối VSAT
Trên hình 3.9 chỉ ra các thành phần thiết bị tại mỗi trạm VSAT gồm: - 01 an ten 2.4m, hoặc 3.8m băng C với một bộ phát xạ tuyến tính. - 01 bộ chuyển đổi tuyến lên (BUC, gồm cả SSPA) có công suất 10 W. - 01 bộ chuyển đổi tuyến xuống tạp âm thấp (LNB).
- 01 mô đem VSAT IP, được cấp nguồn thông qua mạng điện chính (220VAC, 50 Hz).
- Cáp trung tần IF giữa mô đem VSAT và thiết bị đầu cuối băng C. - 01 bộ nguồn cung cấp DC, nguồn cấp (220 VAC, 50 Hz).
Hình 3.10: Sơ đồ các thành phần thiết bị tại trạm VSAT
Ngoài mô-đem đặt trong phòng có đặc điểm kỹ thuật như đã mô tả ở phần trước thì phần thiết bị ngoài trời có đặc điểm như sau:
Hình 3.11: An-ten VSAT trạm đầu xa
- An-ten băng tần C loại 2.4m, kiểu 243 của tập đoàn Andrew có hình dạng như hình 3.10. Đặc điểm kỹ thuật cơ bản của nó được cho trong phụ lục 6.
Một bộ chuyển đổi tuyến lên băng C (BUC) của hãng Agilis.
Hình 3.12: Bộ chuyển đổi tuyến lên và khuếch đại công suất băng C - Agilis ABL180 C - Band BUC có thiết kế tích hợp cao, bao gồm bộ chuyển đổi tần số lên cao, bộ khuếch đại công suất bán dẫn, bộ dao động vòng khoá pha và bộ chuyển đổi nguồn DC-DC. Các đặc điểm kỹ thuật cơ bản của ABL180 C - Band BUC được cho trong phụ lục 7.
- Bộ chuyển đổi tuyến xuống có tạp âm thấp băng C (LNB) của hãng Norsat International có đặc tính kỹ thuật cơ bản cho trong phụ lục 8.
Hình 3.13: Bộ chuyển đổi tuyến xuống tạp âm thấp băng C 3.8.2. Trạm Hub VSAT
Ngoài thiết bị Mini Hub 1000 series như đã mô tả trên đây, tại trạm Hub còn có các thiết bị sau:
- Một an ten 3.8m băng C có bộ phát xạ tuyến tính.
- Một khối chuyển đổi tuyến lên (BUC, gồm cả SSPA) có công suất 20W - Một khối chuyển đổi tuyến xuống tạp âm thấp (LNB) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Các cáp trung tần IF giữa mô đem VSAT và trạm HUB băng tần C - Một nguồn cung cấp DC, sử dụng nguồn chính (220 VAC, 50 Hz) - Một máy chủ điều khiển mạng (NCC server)
- Một máy tính cá nhân quản lý mạng (NMS PC)
Đặc điểm kỹ thuật của các thiết bị như sau:
- Anten 4.5m băng C, của Andrew có hình dạng như chỉ ra trên hình 3.13 dưới đây, và có đặc điểm kỹ thuật cơ bản được cho trong phụ lục 9.
Hình 3.14: Anten 4.5m của andrew
- Khối chuyển đổi tuyến lên (BUC) băng tần C mở rộng có công suất phát 20 W của hãng Agilis. Khối BUC này tương tự như như khối được sử dụng ở trạm đầu cuối đầu xa nhưng có công suất lớn hơn.
- Khối chuyển đổi tuyến xuống tạp âm thấp(LNB) băng tần C mở rộng với một bộ dao động tại chỗ có độ ổn định ± 5 kHz, của hãng Norsat International. Khối LNB này giống với khối được sử dụng ở trạm đầu xa.
- Hệ thống quản lý mạng đối với mạng VSAT là bộ phần mềm iVantage ™ của iDirect. iVantage là một bộ phần mềm công cụ hoàn chỉnh để cấu hình, giám sát và điều khiển toàn bộ mạng vệ tinh từ một vị trí.
Tổng kết chương 3:
Trong chương này, với mạng VSAT hiện có của ngành hàng không đang sử dụng có yêu cầu thiết kế lại với công nghệ mới phù hợp với điều kiện hiện nay, nội dung chương này chủ yếu tập trung vào các yếu tố: mô hình mạng cần thiết kế; so sánh các công nghệ để đưa ra lựa chọn tối ưu; tính toán đường truyền cụ thể cho một trạm Hub và 1 trạm VSAT có suy hao nhiều nhất để xem xét khả năng của tuyến truyền và cuối cùng là lựa chọn các thiết bị lắp đặt cho mạng. Với kết quả tính toán tương đối chi tiết, quỹ năng lượng còn dự phòng khá cao tôi tin rằng khi triển khai mạng sẽ hoạt động ổn định, tin cậy và có chất lượng dịch vụ tốt.
KẾT LUẬN
Hiện nay, với sự phát triển như vũ bão của công nghệ thông tin liên lạc, tài nguyên băng thông ngày càng khan hiếm và giá cả càng đắt đỏ. Trong những lĩnh vực đó có thông tin vệ tinh. Vì vậy yêu cầu nghiên cứu phát triển những giải pháp công nghệ mới, những hệ thống thiết bị mới có thể sử dụng băng thông một cách hiệu quả nhất là điều mà các nhà sản xuất đang tiến hành. Hãng iDirect là một trong số những nhà sản xuất dẫn đầu về giải pháp công nghệ mang lại hiệu quả sử dụng tài nguyên băng thông vệ tinh. Các giải pháp công nghệ đó tập trung chủ yếu vào các kỹ thuật như: đa truy nhập, mã hoá sửa lỗi trước (FEC) và thuật toán tăng tốc TCP/IP nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của trễ đường truyền vệ tinh.
Với mục tiêu thiết kế một mạng thông tin VSAT phục vụ cho hệ thống thông tin ngành hàng không dân dụng Việt Nam, luận văn đã tập trung nghiên cứu các nội dung sau:
Những nội dung chính đã được giải quyết trong luận văn - Trình bày những vấn đề cơ bản của hệ thống thông tin VSAT. - Giới thiệu tổng quan và các ứng dụng của vệ tinh VINASAT-1 - Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập MF-TDMA.
- Nghiên cứu các kỹ thuật đa truy nhập D-TDMA, MFD - TDMA của iDirect
- Nghiên cứu kỹ thuật tối ưu TCP/IP qua đường truyền vệ tinh, các thuật toán tăng tốc TCP/IP nhằm giảm thiểu tắc nghẽn và giảm trễ đường truyền, vấn nhạy cảm đối với các hệ thống yêu cầu thời gian thực.
- Tính toán thiết kế mạng thông tin VSAT cho hệ thống thông tin ngành hàng không dân dụng Việt Nam dựa trên nền IP sử dụng vệ tinh Vinasat-1.
Những đóng góp khoa học và thực tiễn của luận văn
- Làm sáng tỏ một phần cơ sở lý thuyết của kỹ thuật đa truy nhập mới MF-TDMA, thuật toán tăng tốc TCP/IP đang được sử dụng nhiều ngày nay.
- Thiết kế mạng thông tin VSAT mới cho ngành thông tin hàng không dân dụng Việt Nam đã được phê duyệt, và sẽ được triển khai trong thời gian tới. Với kết quả tính toán tương đối chi tiết, quỹ năng lượng còn dự phòng khá cao tác giả tin rằng khi triển khai mạng sẽ hoạt động ổn định, tin cậy và có chất lượng dịch vụ tốt.
Những hạn chế của luận văn
- Luận văn chưa nghiên cứu sâu được thuật toán cấp phát tài nguyên đường về D-TDMA của iDirect.
- Khi tính toán quỹ đường truyền, luận văn chưa đề cập đến mức độ ảnh hưởng của nhiễu từ các vệ tinh lân cận và nhiễu do các hệ thống viba trên mặt đất đối với hệ thống này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Nguyễn Quốc Bình (2001), Kỹ thuật truyễn dẫn số, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội.
2. Nguyễn Phạm Anh Dũng (2007), Thông tin vệ tinh, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông, Hà Nội.
3. Nguyễn Đình Lương (dịch) (1997), Công nghệ thông tin vệ tinh. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà nội.