Phương pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA được trình bày trên hình 1.6. Các kết nối sóng mang của nhiều trạm đầu cuối được thực hiện trên cùng đoạn băng tần. Trong một đoạn tần số, mỗi khi có yêu cầu truyền tin, trạm đầu cuối được phân bổ một khe thời gian xác định để phát thông tin. Tại mỗi thời điểm chỉ có một sóng mang của một trạm hoạt động, do đó xuyên nhiễu điều chế ít và không yêu cầu lùi công suất (Back-off) trên vệ tinh.
Hình 1.6. Nguyên lý truyền dẫn theo TDMA (với 5 khe thời gian)
Khoảng thời gian phát thông tin của một trạm đầu cuối phải được định thời chính xác và không lấn sang trạm đầu cuối khác. Do vậy cần có sự đồng bộ thời gian chính xác trong hệ thống. Hệ thống TDMA đơn giản có các khe thời gian được ấn định cố định. Hệ thống phức tạp thường cho phép tạo các khe thời gian theo yêu cầu truyền dẫn của trạm.
Một đặc điểm khác của TDMA là do truyền dẫn theo các khoảng thời gian rời rạc, nên mỗi lần trạm đầu cuối phát thông tin (burst), yêu cầu tốc độ phát cao hơn nhiều so với dung lượng truyền dẫn thực sự của trạm. Điều này dẫn đến yêu cầu EIRP của trạm cao hơn so với dùng kỹ thuật FDMA có cùng dung lượng. 1.4.3. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA)
Kỹ thuật trải phổ được ứng dụng nhiều trong các hệ thống thông tin vô tuyến quân sự và được đưa vào thông tin vệ tinh trong những năm gần đây.
Kỹ thuật CDMA đã được ứng dụng nhiều trong các hệ thống thông tin di động mặt đất và hệ thống vệ tinh tầm thấp, việc sử dụng tài nguyên của mạng với kỹ thuật này được mô tả trên hình 1.7.
Hình 1.7. Nguyên lý truyền dẫn theo CDMA (với 5 mã trải phổ)
Trong CDMA, sóng mang của trạm VSAT đầu cuối được nhân với một bộ mã và trải phổ ra trên toàn bộ băng tần sử dụng chung với các trạm đầu cuối khác. Mỗi trạm được cấp một mã trải phổ khác nhau mà không bị khôi phục lại ở các trạm đầu cuối khác. Tại đầu thu ở Hub, tín hiệu của từng trạm được tách bằng cách nhân tín hiệu thu được với mã trải phổ tương ứng. Với cơ chế này ở đầu thu tín hiệu mong muốn được khôi phục lại; tín hiệu các kênh khác và nhiễu tạp lại bị trải phổ ra trên toàn băng và có mức ngưỡng thấp hơn tín hiệu mong muốn.
Trong thông tin vệ tinh địa tĩnh, tuyến phát từ Hub cho các trạm VSAT CDMA vẫn áp dụng phương thức phát trên một sóng mang duy nhất cho toàn mạng. Để tránh gây nhiễu các vệ tinh gần kề, cần có băng thông đủ rộng để trải phổ công suất tuyến phát trạm VSAT mặt đất.
Nếu hệ thống CDMA có nhiều trạm cùng truy nhập trên một băng tần thì tổng mức tín hiệu các kênh khác cộng dồn cũng tạo ra mức nhiễu nền đáng kể so với tín hiệu được khôi phục. Ngoài ra cần có sự kiểm soát và điều khiển công suất phát của các trạm đầu cuối để vẫn đảm bảo chất lượng thông tin nhưng không quá cao có thể gây nhiễu cho các trạm đầu cuối khác. Do vậy áp dụng CDMA cũng hạn chế số lượng trạm cùng truy nhập trong một dải tần số và hiệu quả sử dụng băng thông không cao khi so sánh với kỹ thuật TDMA.
Kỹ thuật CDMA có ưu điểm là có thể ứng dụng trong các trạm mặt đất thông tin vệ tinh cơ động liên tục với ăng ten rất nhỏ và không cần bám chính xác vệ tinh. Tín hiệu phát của trạm cơ động được trải ra trên đoạn băng tần lớn và có mức công suất phát chỉ tương đương mức nhiễu nền nên ít gây ảnh hưởng đến các vệ tinh lân cận, cho dù búp sóng của trạm bao trùm các vệ tinh này. 1.4.4. Kỹ thuật đa truy nhập MF-TDMA
Một kỹ thuật đa truy nhập mới được phát triển từ sơ đồ kết hợp FDMA-TDMA được gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian - đa tần số (MF-TDMA). Kỹ thuật đa truy nhập MF-TDMA hiện nay đang trở thành chuẩn công nghệ mới cho mạng VSAT.
Trong hệ thống MF-TDMA, dung lượng được gán theo 2 chiều thời gian và tần số. Một trạm có thể phát trong một khe thời gian, trên một trong số các kênh tần số. Để cung cấp sự kết nối cần thiết giữa các trạm VSAT thì các máy phát và máy thu phải có khả năng nhảy tần. Một cách lý tưởng, chúng có khả năng nhảy giữa các kênh theo kiểu từ cụm đến cụm. Điều này yêu cầu các bộ điều chế và giải điều chế phải có khả năng thay đổi tần số rất nhanh. Trạm chủ sẽ kiểm soát, cấp phát khe thời gian và đoạn băng tần làm việc còn trống khi trạm VSAT có yêu cầu truyền tin. Điều này sẽ giúp sử dụng quỹ băng thông rất hiệu quả khi mạng có số lượng trạm rất lớn và tương đối đồng nhất.
Ngược lại, với TDMA truyền thống (SF-TDMA), tốc độ truyền vẫn có thể được duy trì như cũ ngay cả khi dung lượng mạng được tăng lên bằng cách thêm các kênh tần số. Do đó, các tham số như EIRP, G/T của trạm VSAT không cần phải thay đổi. So với SF-TDMA, MF-TDMA cung cấp một giải pháp hiệu quả về giá thành và khả năng mở rộng bởi vì giá thành của thiết bị đầu cuối VSAT phụ thuộc nhiều vào kích thước ăng ten và công suất phát.
Số lượng trạm VSAT trong một khe và độ rộng của khe tần số thường được tính toán cân bằng giữa kích cỡ, giá thành trạm VSAT và hiệu suất sử dụng khe tần số. Nếu chia khe nhỏ thì yêu cầu kích cỡ trạm không cao nhưng số lượng
trạm phát qua cùng khe tần số ít, không tiết kiệm băng thông. Ngược lại thì đầu tư cho trạm VSAT sẽ có giá thành cao nhưng sử dụng băng thông vệ tinh tiết kiệm hơn. Vì có khả năng mở rộng nên MF-TDMA đã được sử dụng trong truy nhập hướng về của các hệ thống truyền hình số qua vệ tinh (DVB-RCS). Kỹ thuật truy nhập vệ tinh MF-TDMA có một số ưu nhược điểm chính sau:
* Ưu điểm:
- Truy nhập vệ tinh theo MF-TDMA giúp tận dụng tối đa băng thông vệ tinh cho truyền dẫn từ các trạm VSAT về Hub. Điều này giúp sử dụng hiệu quả các băng thông bộ phát đáp vệ tinh.
- Thiết bị ở trạm Hub theo công nghệ MF-TDMA có cấu trúc nhỏ, gọn, chiếm ít không gian và tiêu thụ ít điện năng. Khả năng mở rộng và dự phòng thiết bị của Hub theo MF-TDMA rất linh hoạt.
- Sóng mang VSAT trong MF-TDMA có khả năng liên tục nhẩy tần trong nhiều đoạn băng tần và phát trong các khoảng thời gian gián đoạn. Do vậy khả năng thu chặn thông tin của một trạm VSAT với MF-TDMA khó hơn nhiều.
- Với khả năng cấp khe thời gian linh hoạt của MF-TDMA, cho phép một trạm đầu cuối có thể phát trên nhiều khe thời gian liên tiếp khi có nhu cầu truyền dẫn cao, tốc độ có thể đạt được tới vài trăm Kbps. Khi dung lượng truyền ít, số khe thời gian được cấp sẽ thưa hơn.
- Công nghệ MF-TDMA yêu cầu khả năng định thời trong mạng rất chính xác để đồng bộ hệ thống. Khả năng định thời cao cho phép có thể chia nhỏ khe thời gian, đồng nghĩa với khả năng nhiều trạm VSAT đồng thời kết nối trên cùng đoạn băng tần vệ tinh với hiệu suất truyền tin cao hơn.
- Sử dụng chuẩn DVB cho truyền dẫn IP nên tận dụng các thiết bị công nghệ DVB trước đây trong truyền hình kỹ thuật số, giúp giảm giá thành thiết bị.
- Một số kỹ thuật điều chế mới tiên tiến được ứng dụng giúp sử dụng hiệu quả băng thông như DVB-S2.
- Hiện đã chế tạo được các thiết bị định thời có độ chính xác cao cho phép sử dụng công nghệ TDMA với giá thành trạm đầu cuối hạ hơn.
- Mỗi bộ giải điều chế ở Hub sẽ quản lý nhiều kết nối từ các trạm VSAT (tuỳ hệ thống có thể tới 20-25 link/bộ hoặc hơn). Do vậy cấu trúc trạm Hub theo TDMA sẽ gọn hơn nhiều.
* Nhược điểm:
- Do truy nhập vệ tinh theo các khe thời gian nên trường hợp sử dụng MF-TDMA có tốc độ truyền dẫn nhỏ cho trạm VSAT công suất thấp thì lại không hiệu quả trong việc sử dụng băng thông vệ tinh và hiệu suất của bộ giải điều chế ở trạm Hub.
- Ăng ten và khuếch đại công suất (HPA) của trạm đầu cuối lớn hơn do cần truyền với tốc độ cao. Nếu mạng sử dụng nhiều trạm cơ động có kích thước ăng ten nhỏ thì sẽ cần HPA cao. Điều này dẫn đến tăng giá thành đầu tư hệ thống.
1.5. Vấn đề giao thức đối với mạng VSAT
1.5.1. Cấu hình vật lý và giao thức của một mạng VSAT
Trong các tuyến thông tin dữ liệu, các hệ thống mở giao thức với nhau thông qua các chức năng thông tin được chia thành các lớp. Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (ISO) đã phối hợp với tiểu ban chuẩn hóa về thông tin viễn thông của ITU-R (ITU-T) để xây dựng nên mô hình tham chiếu giao thức kết nối hệ thống mở (OSI), gồm 7 lớp. Bốn lớp trên chứa các giao thức thông tin điểm nối điểm giữa các hệ thống thông tin. Ba lớp dưới chứa các giao thức mạng và giao tiếp mạng phục vụ việc truyền ảo không lỗi (Virtually error-free transmition) các gói dữ liệu của người dùng qua các mạng. Các mạng dữ liệu chuyển mạch gói sử dụng các giao thức thông tin trong 3 lớp này để chuyển các dữ liệu của người sử dụng qua mạng và cung cấp các dịch vụ cho 4 lớp trên có chứa các giao thức điểm - điểm.
- Lớp vật lý là lớp dưới cùng trong mô hình OSI. Lớp này bao gồm các đặc tính vật lý và các thông số kỹ thuật của các kết nối dành cho việc truyền ở mức bit qua mạng và thông qua giao diện mạng.
- Lớp liên kết dữ liệu chứa các thủ tục và giao thức thông tin giữa các đầu cuối của mạng, hoặc giữa các mạng với nhau. Các giao thức này thường thực hiện việc phát hiện và sửa lỗi cho các gói dữ liệu đã được đóng khung. Các giao thức này cũng có thể có các chức năng đánh địa chỉ và điều khiển luồng dữ liệu.
- Lớp mạng thiết lập, duy trì và kết thúc các kết nối dữ liệu qua mạng. Tại lớp mạng các gói dữ liệu được cung cấp các thông tin địa chỉ để thực hiện việc định tuyến qua mạng, các lỗi sẽ được sửa và các luồng gói dữ liệu sẽ được điều khiển. Các gói dữ liệu quá dài có thể sẽ được chia ra và sau đó được kết hợp lại.
Hình 1.8. Cấu hình vật lý và giao thức của một mạng VSAT
Hình 1.8 trình bày cấu hình vật lý và giao thức của một mạng VSAT kết nối thiết bị đầu cuối người dùng với máy tính chủ. Phía trên của hình là cấu hình vật lý chỉ ra loại thiết bị mà kết nối hỗ trợ. Phía dưới là cấu hình giao thức chỉ ra các lớp ngang hàng giữa các thiết bị đó. Cấu hình vật lý chỉ ra giao
tiếp băng gốc trạm Hub được nối với máy chủ, còn giao tiếp băng gốc VSAT được nối với các thiết bị đầu cuối người dùng. Cấu hình giao thức thể hiện sự xếp chồng các lớp tương ứng từ 1 đến 7 bên trong máy tính chủ và thiết bị đầu cuối người dùng, các xếp chồng giảm dần ở bộ xử lý đầu cuối của trạm Hub và giao tiếp băng gốc của khối trong nhà của trạm VSAT.
1.5.2. Chuyển đổi giao thức (giả lập)
Ở mức vật lý ta có thể coi mạng VSAT như một đường dây thuần tuý và kết nối các thiết bị đầu cuối người dùng có thể được thực hiện dễ dàng. Tuy nhiên, điều này là không thể do đặc tính của kênh vệ tinh về trễ đường truyền và tỉ lệ lỗi bít, các giao thức đã được sử dụng cho các hệ thống trên mặt đất có thể trở nên không hiệu quả khi qua các đường truyền vệ tinh. Do đó phải xem xét các giao thức khác để truyền dữ liệu qua các đường truyền vệ tinh. Các giao thức này không thể là giao thức kiểu đầu cuối tới đầu cuối vì điều đó dẫn đến thay đổi các giao thức được thực hiện trên các máy của người dùng, không được người dùng chấp nhận. Vì vậy phải thực hiện một số dạng chuyển đổi giao thức ở cả giao tiếp băng gốc trạm Hub và trạm VSAT. Việc chuyển đổi giao thức thiết bị đầu cuối thành các giao thức đường truyền vệ tinh được gọi là giả lập (emulation) hoặc thông dụng hơn là đánh lừa (spoofing). Thật vậy, nếu việc chuyển đổi là đầy đủ, tức là nếu nó đảm bảo tính trong suốt từ đầu cuối này đến đầu cuối kia thì các thiết bị đầu cuối có cảm tưởng như được kết nối trực tiếp mặc dù thực tế không phải vậy.
Trên hình 1.8 chỉ có 3 lớp dưới (lớp mạng, lớp liên kết dữ liệu và lớp vật lý) được giả lập. Đây cũng là trường hợp thông dụng. Tuy nhiên một số dịch vụ có thể yêu cầu giả lập lên đến lớp truyền tải.
Việc giả lập giao thức lớp mạng thực hiện ánh xạ địa chỉ đối với các thiết bị của người dùng. Điều này cho phép địa chỉ mạng độc lập với địa chỉ thiết bị của người dùng.
Lớp liên kết dữ liệu được tách thành 2 lớp con: lớp “điều khiển liên kết dữ liệu” cung cấp điều khiển liên kết dữ liệu qua các đường vệ tinh độc lập
với điều khiển liên kết dữ liệu giữa các giao tiếp mạng VSAT và thiết bị của người dung; lớp “điều khiển truy nhập kênh” có trách nhiệm truy nhập kênh vệ tinh bằng nhiều sóng mang được phát bởi các trạm VSAT hoặc trạm Hub.
Ở đây có một khía cạnh quan trọng mà rất đặc trưng đối với các mạng VSAT đó là băng thông của vệ tinh cần thiết cho sóng mang cung cấp kết nối ở mức vật lý, nếu cấp phát trên cơ sở cố định thì băng thông đó được sử dụng kém hiệu quả trong trường hợp lưu lượng luồng không thường xuyên hoặc với lưu lượng cụm. Do đó, người ta mong muốn tài nguyên vệ tinh này được cấp phát cho bất kỳ trạm VSAT nào trên cơ sở cấp phát theo nhu cầu (DA - Demand Assigment), tuỳ theo nhu cầu và tính chất lưu lượng.
Cuối cùng, ở mức vật lý, bất kỳ trạm mặt đất nào (Hub hay VSAT) đều phải cung cấp một giao tiếp vật lý mà hỗ trợ thực sự kết nối vật lý. Về phía người dùng, giao tiếp vật lý phải tuân theo phần cứng của người dùng. Ở phía vệ tinh, mức vật lý phải cung cấp sự bảo vệ dữ liệu khỏi bị lỗi bằng các kỹ thuật mã hoá và giải mã sửa lỗi trước (FEC - Forward Error Correction), và điều chế, giải điều chế các sóng mang tải dữ liệu.
1.6. Công nghệ IP trong mạng VSAT
Hiện nay trên thị trường có 2 dòng công nghệ áp dụng cho sản phẩm thông tin vệ tinh, đó là: công nghệ chuyển mạch kênh cổ điển và công nghệ chuyển mạch gói IP. Công nghệ chuyển mạch kênh đã được sử dụng rỗng rãi nhiều năm qua. Tuy nhiên, những năm gần đây thông tin vệ tinh không chỉ sử dụng công nghệ chuyển mạch kênh mà còn xuất hiện xu hướng chuyển sang công nghệ truyền gói IP.
Lý do lựa chọn công nghệ chuyển mạch gói IP (công nghệ IP) thay vì công nghệ chuyển mạch kênh thông thường là:
- Thiết bị theo công nghệ chuyển mạch kênh đã lạc hậu, do đó hiện nay các thiết bị thông tin vô tuyến ở giải tần cơ sở có xu hướng chuyển sang sử dụng công nghệ IP tích hợp đa dịch vụ với chi phí rẻ hơn, cấu hình thiết bị đơn giản, dễ bảo trì và thay thế.
- Công nghệ IP cho phép tổ chức kết nối các dịch vụ truyền số liệu, thoại, video,... của mạng thông tin vệ tinh với các mạng hạ tầng viễn thông đơn giản, thuận lợi hơn so với công nghệ chuyển mạch kênh.