Đ
ộ
lợ
i [dB
]
Số Bit lượng tử hóa
Tr ục y [ k m ] Tr ục y [ k m ] Trục x [km] Trục x [km]
Trong khi SNR cho thấy phạm vi phủ sóng tốt đối với hệ số lấy mẫu quá mức 1,2, thì qua SINR, ta có thể quan sát các khu vực có nhiễu cao. Đây là hệ quả của việc sử dụng sổ mã loại DFT được sử dụng trong hệ thống 5G NR, vì lưới hình chữ nhật liên kết của nó tạo ra các điểm được bao phủ với cùng độ lợi bởi 4 chùm vệ tinh khác nhau. Khi chọn một trong các chùm, ba chùm còn lại sẽ tạo ra giao thoa mạnh, dẫn đến SINR không lớn hơn 4,77dB.
Hình 3.15 Hiệu suất quang phổ khi bỏ qua giao thoa (bên trái) và khi xét giao thoa (bên phải)
Hình 3.16 SNR theo từng trục Tr Tr ục y [ k m ] Tr ục y [ k m ] Trục x [km] Trục x [km] Hi ệu su ất q u an g p h ổ [M b p s/M HZ ] Hi ệu su ất q u an g p h ổ [M b p s/M HZ ]
Trong Hình 3.16, ta thấy sự thay đổi SNR qua mỗi trục đối với các đường có SNR tối đa và tối thiểu. Các đường cong có SNR tối thiểu tương ứng với đường biên của ROI hình elip, trong khi đường cong cho SNR tối đa tương ứng với đường y = 0 trong bản đồ vùng phủ. Có thể quan sát thấy rằng sự chênh lệch độ lợi giữa tâm của ô và cạnh theo thứ tự là 3dB cho cả hai trục nếu loại trừ ranh giới của ROI. SNR và SINR này chuyển thành hiệu suất quang phổ được thể hiện trong Hình 3.8. Lưu ý rằng có sự giao thoa liên chùm đáng kể khi hoạt động với các sổ mã loại DFT như được đề xuất trong hệ thống LTE và 5G NR.
Cuối cùng, ta phân tích sự suy giảm SNR theo thời gian do chuyển động của vệ tinh đối với người dùng ban đầu nằm ở tâm của ROI hình elip. Giả sử lựa chọn chùm dựa trên việc tối đa hóa SNR. Hình 3.17 (a) cho thấy một ví dụ về các vị trí vệ tinh khác nhau và các chùm được chọn liên quan. Hình 3.17 (b) cho thấy SNR tương ứng với các vị trí vệ tinh khác nhau được minh họa trong (a).
Hình 3.17 (a) Các vị trí vệ tinh khác nhau và các chùm liên kết. (b) Suy giảm SNR theo thời gian do chuyển động của vệ tinh
Có thể kết luận rằng, đối với thiết kế này và các thông số hệ thống, người dùng được chiếu sáng bởi cùng một chùm sáng trong khoảng thời gian khoảng 30 giây. Sau đó, một chùm tia khác phải được chọn để giữ một độ lợi thích hợp. Lưu ý rằng ngay cả sau khi cập nhật chùm tia tốt nhất, vẫn có sự suy hao khơng đáng kể do chuyển động của vệ tinh, như được minh họa trong Hình 3.17 (b).
Vị trí 1 2 4 3 Vệ tinh ở vị trí 1 (chùm 1) Vệ tinh ở vị trí 2 (chùm 1) Vệ tinh ở vị trí 3 (chùm 2) Vệ tinh ở vị trí 4 (chùm 3)
Suy hao do vệ tinh di chuyển
3.4 Kết luận
Trong chương 3, em đã tìm hiểu về ba hệ thống vệ tinh quỹ đạo thấp: Hệ thống LEO thông thường
Trạm gốc (BS) nhận diện vùng dịch vụ thông qua nhiều vệ tinh LEO. Để ngăn chặn nhiễu giữa các vệ tinh trong vùng dịch vụ, các tần số khác nhau được phân bổ cho mỗi vệ tinh.
Hệ thống LEO MIMO đa vệ tinh
Các tín hiệu điều khiển được phân bổ cho các tần số của mỗi vệ tinh theo cách giống như LEO thông thường, trong khi các tần số của tín hiệu dữ liệu được chọn động để phù hợp với ghép kênh MIMO. So với hệ thống thông thường, hiệu quả tần số bị giảm do tài nguyên được gán cho các tín hiệu điều khiển chuyên dụng và băng bảo vệ của chúng. Tuy nhiên việc ấn định động băng tần truyền tín hiệu số liệu giúp triển khai linh hoạt sơ đồ MIMO và tác động đến việc cải thiện dung lượng của hệ thống.
Hệ thống LEO MIMO khổng lồ dạng chùm tia
Hệ thống hỗ trợ việc truyền trực tiếp đồng thời tới số lượng tối đa các thiết bị đầu cuối người dùng di động trên mặt đất. Cơ chế ghép kênh phân chia theo thời gian hoặc tần số sẽ cho phép chia sẻ chùm khi đồng thời có nhiều hơn một người dùng trên mỗi chùm được phục vụ. Hệ thống thiết kế dấu chân vệ tinh dưới dạng ROI hình elip dựa trên số lượng mặt phẳng quỹ đạo và số lượng vệ tinh trên mỗi quỹ đạo. Kết quả mô phỏng cho thấy mức độ phù hợp của thiết kế đầu cuối ăng ten để đạt được SNR chấp nhận được.
Với khả năng nhìn thấy nhiều vệ tinh từ máy đầu cuối, kỹ thuật MIMO sử dụng đa vệ tinh được kỳ vọng mang lại dung lượng truyền dẫn cao hơn cho hệ thống vệ tinh. Vấn đề chính của hệ thống LEO MIMO là hiệu ứng Doppler do chuyển động của vệ tinh ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống. Hiệu ứng Doppler ngày càng tăng và bất đối xứng theo hướng của chuyển động. Bằng cách tạo quỹ đạo với nhiều vệ tinh, ta có thể giảm hiệu ứng Doppler tối đa.
KẾT LUẬN
Do có suy hao truyền lan thấp và thời gian trễ nhỏ nên các chùm vệ tinh LEO lớn được triển khai nhiều gần đây. Với khả năng nhìn thấy nhiều vệ tinh từ máy đầu cuối, kỹ thuật MIMO sử dụng đa vệ tinh được kỳ vọng mang lại dung lượng truyền dẫn cao hơn cho hệ thống vệ tinh. Vấn đề chính của hệ thống LEO MIMO là hiệu ứng Doppler do sự chuyển động liên tục của vệ tinh ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống và điều này phải được đưa vào tính tốn trong triển khai MIMO.
Xem xét so sánh giữa hệ thống LEO MIMO đề xuất và hệ thống thông thường, em thấy hệ thống đề xuất tại băng thông 10 MHz cung cấp một số cải tiến so với hệ thống thông thường, tuy nhiên, dung lượng kênh bị suy giảm do giảm hiệu suất tần số R của băng tần Ka nơi tần số Doppler rất mạnh. Với băng thông 100 MHz tác động của dải tần trở nên khơng đáng kể vì ảnh hưởng của tần số Doppler là nhỏ. Mặt khác, hệ thống thông thường cung cấp khả năng cải thiện dung lượng hạn chế do băng thông bảo vệ nhỏ hơn. Truyền dẫn MIMO trong hệ thống với 3 vệ tinh đạt được cải thiện hiệu năng đáng kể nếu độ rộng băng tần giới hạn 10MHz, và mức cải thiện dung lượng trung bình lên tới 4 lần có thể đạt được ở băng Ku đường xuống 12GHz. Hơn nữa dung lượng có thể tăng thêm nếu độ rộng băng tần sử dụng đủ lớn so với tần số Doppler.
Tiếp theo em triển khai đánh giá mơ phỏng hồn chỉnh đường xuống của hệ thống truyền thông vệ tinh MIMO LEO khổng lồ - hệ thống thiết kế dấu chân vệ tinh dưới dạng ROI hình elip dựa trên số lượng mặt phẳng quỹ đạo và số lượng vệ tinh trên mỗi quỹ đạo; qua đó hiểu các thách thức của lớp vật lý và đánh giá chiến lược định dạng chùm tia dựa trên một sổ mã DFT.
Em nhận thấy hệ số lấy mẫu quá mức là quan trọng, tỷ lệ thuận với số tia được chiếu sáng tới ROI cũng như hiệu quả sử dụng tài nguyên. Phần giữa của các ô trong ROI đạt được SNR cao nhất, thấp dần đi khi ra biên. Có sự giao thoa liên chùm đáng kể. Hạn chế về công suất trên mỗi ăng ten và bộ tiền kỹ thuật số để giảm thiểu nhiễu liên chùm là một thách thức nghiên cứu mở cần được giải quyết để vượt qua các phương pháp tiếp cận hiện tại. Kết quả mô phỏng cho thấy sự phụ thuộc của các tham số trong thiết kế đầu cuối ăng ten như hệ số rị rỉ với ăng ten sóng rị rỉ, góc ngẩng với ăng ten Kymeta. Có thể thấy rằng khi kết hợp với kiến trúc lai như lượng tử hóa mang lại hiệu suất tốt hơn nhiều. Trong hệ thống này, mỗi trạm mặt đất hoặc người sử dụng sẽ được chiếu tới bởi một vệ tinh nhất
trong khoảng thời gian nhất đinh, trước khi tới với vệ tinh tiếp theo phù hợp. Có sự suy giảm SNR trong quá trình này, được khắc phục bằng cách tăng số vệ tinh nhưng đồng thời lại đem lại thách thức về chi phí, rủi ro va chạm, phân chia khơng gian.
Cấu hình chùm tia trong liên kết giữa vệ tinh LEO và thiết bị đầu cuối di động mặt đất là một thách thức do độ trễ hành trình dài, chuyển động nhanh của vệ tinh và hạn chế về khả năng xử lý. Các chòm sao LEO hiện tại sử dụng các chùm tia cố định chiếu sáng một khu vực nhất định trên bề mặt Trái đất mà khơng có bất kỳ khả năng nào để điều hướng các chùm tia hẹp theo hướng người dùng. Các giai đoạn tiền mã hóa kỹ thuật số được thiết kế độc lập với chùm tương tự với mục đích giảm nhiễu liên chùm giữa các chùm phủ sóng với các vùng bao phủ (ROI) lân cận. Việc thiết kế dấu chân vệ tinh LEO và sổ mã cụ thể ở phía vệ tinh trong một mạng vệ tinh tích hợp trên mặt đất cũng là một thách thức khác. Cần thiết kế để đảm bảo độ bao phủ của bề mặt Trái đất, hạn chế giao thoa giữa các chùm tia, tối đa hóa thơng lượng của hệ thống và đồng thời thể hiện một mức độ tương thích với các sổ mã thơng thường được xác định trong các tiêu chuẩn di động.
Chúng ta cần xem xét việc phân bổ phổ tần số và khả năng gây can nhiễu của các hệ thống này với cơ sở hạ tầng viễn thơng trên mặt đất. Bên cạnh đó, nhiều hệ thống vệ tinh tầm thấp được thiết kế để hoạt động trong băng tần Ka, điều này sẽ đặt ra những thách thức cho các nhà khai thác trong việc truyền tín hiệu vệ tinh do bị tác động của các yếu tố thời tiết như mưa, tuyết... Các nghiên cứu cho thấy, việc tác động từ yếu tố thời tiết có thể được cải thiện bằng cách thay đổi băng tần số sử dụng cho các hệ thống vệ tinh. Tuy nhiên, hiện nay việc triển khai các mạng thông tin di động 5G và các hệ thống thông tin khác cũng đang sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần hạn chế này. Đây cũng là một vấn đề cần xem xét.
Ngoài việc truyền các gói tin, việc định tuyến lưu lượng truy cập xung quanh một mạng lưới hàng nghìn vệ tinh là một thách thức khác. Hệ thống LEO khơng đứng n và quay vịng quanh trái đất với tốc độ khá nhanh. Điều đó có nghĩa là bạn có thể liên lạc với một vệ tinh mới sau mỗi vài phút, khi một vệ tinh biến mất sau đường chân trời, một vệ tinh khác đến ở phía bên kia để tiếp quản hệ thống. Trong mạng vệ tinh thì ăng ten là thứ đang chuyển động. Như vậy, khi cả người dùng và ăng ten vệ tinh đều chuyển động thì mọi thứ sẽ trở nên phức tạp hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Joan Palacios, Nuria Gonzalez-Prelcic, Carlos Mosquera, Takayuki and Chang- Heng Wang, "A hybrid beamforming design for massive MIMO LEO satellite communications," arXiv, 22 April 2021.
[2] Jukka Kyröläinen, Ari Hulkkonen, Juha Ylitalo, Aaron Byman, Bhavani
Shankar, Pantelis-Daniel Arapoglou and Joel Grotz, "Applicability of MIMO to satellite communications," International Journal of Satellite Communications
and Networking, pp. 343-357, 2013.
[3] Takaya Yamazato, Daisuke Goto, Hiroki Shibayama and Fumihiro Yamashita, "LEO-MIMO Satellite Systems for High Capacity Transmission," in 2018 IEEE
Global Communications Conference, Abu Dhabi, United Arab Emirates, 2018.
[4] Pantelis-Daniel Arapoglou, Konstantinos Liolis, Massimo Bertinelli, Athanasios Panagopoulos, Panayotis Cottis and Riccardo De Gaudenzi, "MIMO over
Satellite: A Review," IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS,, vol. 13, 2011.
[5] Ezio Biglieri, Robert Calderbank, Anthony Constantinides, Andrea Goldsmith, Arogyaswami Paulraj and H. Vincent Poor, MIMO Wireless Communications, New York: Cambridge University Press, 2006.
[6] J. Louis J. Ippolito, Satellite Communications Systems Engineering,
Atmospheric Effects, Satellite Link Design and System Performance, Chichester, United Kingdom: A John Wiley and Sons, 2008.
[7] R.T. Schwarz, A. Knopp and B. Lankl, "The channel capacity of MIMO satellite links in a fading environment: A probabilistic analysis," in 2009 International
Workshop on Satellite and Space Communications, Siena, Italy, Sept. 2009.
[8] R. T. Schwarz, A. Knopp, B. Lankl, D. Ogermann and C. A. Hofmann,
"Optimum-Capacity MIMO Satellite Broadcast System: Conceptual Design for LOS Channels," in 2008 4th Advanced Satellite Mobile Systems, Bologna, Italy, Aug. 2008.
[9] J. Palacios, D. De Donno, D. Giustiniano, and J. Widmer, "Speeding up
mmWave beam training through low-complexity hybrid transceivers," in 2016
IEEE 27th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2016.
[10] L. Cottatellucci, M. Debbah, G. Gallinaro, R. Muller, M. Neri and R.Rinaldo, "Interference mitigation techniques for broadband satellite system," in 24th AIAA
Int. Commun. Satell. Syst. Conf., June 2006.
[11] P. Horvath, G. Karagiannidis, P.R. King, S. Stavrou and I. Frigyes,
"Investigations in satellite MIMO channel modeling: Accent on polarization,"
EURASIP J. Wireless Commun. Network, 2007.
[12] K.P. Liolis, A.D. Panagopoulos and P.G. Cottis, "Multi-satellite MIMO
communications at Ku-band and above: Investigations on spatial multiplexing for capacity improvement and selection diversity for interference mitigation,"
EURASIP J. Wirel. Commun. Network, 2007.
[13] "Propagation data and prediction methods required for the design of Earth-space telecommunication systems," ITU-R Recommendation P.618-9, Geneva,
Switzerland, 2007.
[14] "Attenuation by atmospheric gasses," ITU-R Recommendation P.676-4, Geneva, Switzerland, 2005.
[15] "Attenuation due to clouds and fog," ITU-R Recommendation P.840-3, Geneva, Switzerland, 1999.
[16] G. Patrick, Doppler compensation for LEO satellite communications system, McMaster University, May 1998.