Đồ án Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sau

145 trang vanle 3050

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sau", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_lien_ket_mang_ip_qua_he_thong_ve_tinh_the_he_sau.pdf

Nội dung text: Đồ án Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sau

Đồ án Liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sau
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Từ viết Từ đầy đủ Ý nghĩa tắt Triple Data Encryption 3DES Thuật tốn mật mã 3DES Standard AD Analog to Digital Chuyển đổi tương tự sang số Asymmetric Digital Cơng nghệ truy nhập đường ADSL Subscriber Line dây thuê bao số bất đối xứng Advanced Encryption AES Chuẩn mật mã cao cấp Standard AH Authentication Header Giao thức tiêu đề xác thực Application Programming Giao diện chương trình ứng API Interface dụng Cơng nghệ truyền tải khơng ATM Asynchronous Tranfer Mode đồng bộ American Registry for Internet Tiêu chuẩn Mỹ cho địa chỉ ARIN Number Internet Giao thức định tuyến cổng BGP Border Gateway Protocol miền Bearer Independent Call Giao thức điều khiển cuộc gọi BICC Control Protocol độc lập với kênh mang Integrated Services Digital ISDN Mạng số đa dịch vụ tích hơp Network Broadband Integrated Services Mạng số đa dịch vụ tích hợp B-ISDN Digital Network băng rộng CA Certificate Authority Nhà phân phối chứng thực số CCP Compression Control Protocol Giao thức điều khiển nén CIR Committed Information Rate Tốc độ thơng tin cam kết CHAP Challenge Handshake Giao thức xác thực bắt tay GVHD:Võ Trường Sơn 1 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Authentication Protocol. thách thức CR Cell Relay Cơng nghệ chuyển tiếp tế bào CSU Channel Service Unit Đơn vị dịch vụ kênh Data Communication DCE Thiết bị truyền thơng dữ liệu Equipment DES Data Encryption Standard Thuật tốn mật mã DES Dynamic Host Configuration DHCP Giao thức cấu hình host động Protocol DNS Domain Name System hệ thống tên miền DSL Digital Subcriber Line Đường dây thuê bao số DSP Digital Signal Processors Bộ xử lý tín hiệu số DSU Data Service Unit Đơn vị dịch vụ dữ liệu Extensible Authentication EAP Giao thức xác thực mở rộng Protocol Encapsulating Security Giao thức tải trọng bảo mật ESP Payload đĩng gĩi FCS Frame Check Sequence Chuỗi kiểm tra khung FTP File Tranfer Protocol Giao thức truyền tệp FR Frame Relay Chuyển tiếp khung dữ liệu GVPNS Global VPN Service Dịch vụ VPN tồn cầu Generic Routing GRE Đĩng gĩi định tuyến chung Encapsulation HTTP Hypertext Tranfer Protocol Giao thức truyền siêu văn bản Internet Control Message Giao thức bản tin điều khiển ICMP Protocol Internet ICV Integrity Check Value Giá trị kiểm tra tính tồn vẹn Internet Engineering Task IETF Cơ quan chuẩn Internet Force GVHD:Võ Trường Sơn 2 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! IKE Internet Key Exchange Giao thức trao đổi khố Internet Giao thức định tuyến trong IGP Interior Gateway Protocol miền IN Intelligent Network Mạng thơng minh IP Internet Protocol Giao thức Internet IP-Sec Internet Protocol Security Giao thức an ninh Internet Internet Security Asociasion Giao thức quản lý khố và kết ISAKMP and Key Management hợp an ninh Internet Protocol Integrated Service Digital ISDN Mạng số đa dịch vụ Network International Standard ISO Tổ chức chuẩn quốc tế Organization ISP Internet Service Provider Nhà cung cấp dịch vụ internet L2F Layer 2 Forwarding Giao thức chuyển tiếp lớp 2 L2TP Layer 2 Tunneling Protocol Giao thức đường ngầm lớp 2 LAC L2TP Access Concentrator Bộ tập trung truy cập L2TP LAN Local Area Network Mạng cục bộ LCP Link Control Protocol Giao thức điều khiển liên kết LNS L2TP Network Server Máy chủ mạng L2TP MAC Message Authentication Code Mã xác thực bản tin MD5 Message Digest 5 Thuật tốn MD5 MG Media Gateway Cổng kết nối phương tiện MGC Media Gateway Controller Thiết bị điều khiển truy nhập Media Gateway Control Giao thức điều khiển cổng kết MGCP Protocol nối phương tiện Management Information MIB Cơ sở dữ liệu thơng tin quản lý Base GVHD:Võ Trường Sơn 3 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Multi Protocol Laber Bộ định tuyến chuyển mạch MPLS Switching nhãn Microsoft Point-to-Point Mã hố điểm-điểm của MPPE Encryption Microsoft MTU Maximum Transfer Unit Đơn vị truyền tải lớn nhất NAS Network Access Server Máy chủ truy nhập mạng NAT Network Address Translation Biên dịch địa chỉ mạng NCP Network Control Protocol Giao thức điều khiển mạng Network Driver Interface NDIS Xác định giao diện mạng Specification NFS Network File System Hệ thống tệp mạng NGN Next Generation Network Mạng thế hệ sau NSA National Security Agency Cơ quan an ninh quốc gia Mỹ Passwork Authentication PAP Giao thức xác thực mật khẩu. Protocol PDU Protocol Data Unit Đơn vị dữ liệu giao thức PKI Public Key Infrastructure Cơ sở hạ tầng khố cơng khai POP Point of presence Điểm truy cập truyền thống. PPP Point to Point Protocol Giao thức điểm tới điểm Point to Point Tunneling Giao thức đường ngầm điểm tới PPTP Protocol điểm PVC Permanrnent Virtual Circuit Mạng ảo cố định QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAS Remote Access Service Dịch vụ truy nhập từ xa Remote Authentication Dial- Dịch vụ xác thực người dùng RADIUS In User Service quay số từ xa Routing and Remote Access Máy chủ truy cập định hướng RRAS Server và truy cập từ xa. GVHD:Võ Trường Sơn 4 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Giao thức truyền tải thời gian RTP Real-time Tranport Protocol thực SA Securty Association Kết hợp an ninh SAD Security Association Database Cơ sở dữ liệu kết hợp an ninh SDH Synchronous Digital Hierachy Phân cấp số đồng bộ SG Signling Gateway Cổng kết nối báo hiệu SIG Session Initiation Protocol Giao thức khởi tạo phiên Simple Network Management Giao thức quản lý mạng đơn SNMP Protocol giản SMTP Simple Mail Tranfer Protocol Giao thức truyền thư đơn giản SONET Synchronous Optical Network Mạng quang đồng bộ Cơ sở dữ liệu chính sách an SPD Security Policy Database ninh SPI Sercurity Parameter Index Chỉ số thơng số an ninh SVC Switched Virtual Circuit Mạch ảo chuyển mạch Terminal Access Control Hệ thống điều khiển truy nhập TACACS System đầu cuối Giao thức điều khiển truyền TCP Transmission Control Protocol thơng TE Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối UNI User Network Interface Giao diện mạng người sử dụng Giao thức gĩi dữ liệu người UDP User Datagram Protocol dùng VC Virtual Circuit Kênh ảo VCI Virtual Circuit Identifier Nhận dạng kênh ảo VNS Virtual Network Service Dịch vụ mạng ảo VPI Virtual Path Identifier Nhận dạng đường ảo GVHD:Võ Trường Sơn 5 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! VPN Virtual Private Network Mạng riêng ảo WAN Wide Area Network Mạng diện rộng LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học-cơng nghệ thì nhu cầu trao đổi dữ liệu và các dịch vụ tiện ích của con người cũng tăng theo. Các phương thức truyền dẫn hiện nay như là ADSL, leased-line, Frame-Relay tuy đã phần nào đáp ứng được nhu cầu đĩ nhưng hạn chế của mạng này là tính di động khơng cao và triển khai ở những nơi địa hình phức tạp vẫn cịn là một trở ngại lớn. Và mạng vệ tinh thực sự là một giải pháp tối ưu giải quyết được cả 2 vấn đề trên với việc cung cấp mạng băng rộng thế hệ mới cung cấp đa dịch vụ trên một thiết bị đầu cuối với nền IP tốc độ cao, với các dịch vụ được cung cấp trực tiếp đến khách hàng qua vệ tinh tránh được xảy ra tắc nghẽn đường truyền làm giảm tốc độ kết nối chi phí ,ko mắc hơn các dịch vụ truyền thống quá nhiều , vệ tinh trong tương lai khơng chỉ hướng tới hoạt động cơng ích mà là cung cấp dịch vụ cho khách hàng vùng sâu vùng xa khĩ khăn về địa hình, với những ưu thế trên thì vệ tinh ngày càng được triền khai rộng rãi trên tồn thế giới ,một trong những cơng nghệ hiện nay đang được sử dụng khá phổ biến đĩ là truyền thơng IP qua mạng vệ tinh. Với đồ án “liên kết mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sau” em hi vọng sẽ gĩp phần làm rõ những đặc điểm chính về cơng nghệ đang được ứng dụng rộng rãi này. Nội dung đồ án gồm 6 chương: ─ Chương 1: Lịch sử phát triển của vệ tinh. giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển của dịch vụ vệ tinh, ứng dụng của dịch vụ vệ tinh cũng như các định nghĩa của ITU-R về các dịch vụ mạng. ─ Chương 2:Mạng vệ tinh và các đặc điểm. giới thiệu về mạng vệ tinh như phần khơng gian của vệ tinh, trạm mặt đất, quỹ đạo, dải tần cũng như các đặc điểm của mạng vệ tinh. ─ Chương 3:Khái niệm mạng và quỹ đạo vệ tinh trong chương này ta tìm hiểu về quỹ đạo, tham số quỹ đạo, đặc điểm liên kết vệ tinh các phương thức điều chế cũng như kỹ thuật đa truy nhập trong vệ tinh. ─ Chương 4: Liên kết mạng vệ tinh với mạng trái đất. các thành phần và kết nối mạng, báo hiệu , lưu lượng, chuyển tiếp, truy nhập mạng. mạng điện thoại kỹ thuật số, mạng số tích hợp đa dịch vụ qua vệ tinh sẽ được trình bày ở chương 4. ─ Chương 5: Giao thức internet (IP) qua vệ tinh. Trong chương này ta sẽ tìm hiểu về việc đĩng gĩi IP, nối mạng vệ tinh IP, phát đa điểm IP qua mạng vệ tinh. GVHD:Võ Trường Sơn 6 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! ─ Chương 6: Bảo mật. Một vấn đề chính trong tất cả các mạng đĩ là vấn đề bảo mật, do đĩ trong chương này ta sẽ tìm hiểu về các giao thức cũng như cách thức bảo mật trong mạng vệ tinh. Mặc dù đã cố gắng trong khi làm đồ án nhưng với khả năng và kiến thức cịn hạn chế do đĩ khơng thể tránh khỏi những sai sĩt, em mong nhận được sự gĩp ý sửa chữa của các thầy cơ và các bạn Em xin cảm ơn các thầy cơ trường Đại Học Giao Thơng Vận Tải đã dạy bảo và truyền cho chúng em những kiến thức quý báu trong suốt 5 năm qua. đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy Võ Trường Sơn và các thầy cơ trong liên bộ mơn Điện-Điện tử đã tận tình giúp đỡ em hồn thành đồ án này. TP.HCM Tháng 12 năm 2008 Sinh viên thực hiện Vũ Văn Trực GVHD:Võ Trường Sơn 7 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU 1.1. Lịch sử phát triển của vệ tinh Vệ tinh đã cĩ mối liên hệ chặt chẽ với viễn thơng và truyền hình ngay từ khi nĩ mới hình thành, nhưng chỉ vài người chú ý điều này. Ngày nay,vệ tinh truyền những chương trình truyền hình trực tiếp tới từng nhà và cho phép chúng ta truyền những tin nhắn và truy cập Internet. Sau đây sẽ cho ta một tổng quan nhanh lịch sử của vệ tinh. 1.1.1. Sự khởi đầu của kỉ nguyên vệ tinh và khơng gian Cơng nghệ vệ tinh đã tiến bộ một cách đáng kể từ khi vệ tinh nhân tạo đầu tiên Sputnick được phĩng lên bởi Liên Xơ vào 4/10/1957 và Courier-1B được thí nghiệm đầu tiên tại Mỹ vào Tháng tám 1960. Hợp tác quốc tế đầu tiên để nghiên cứu vệ tinh cho dịch vụ truyền hình và ghép kênh thoại được đánh dấu bởi thí nghiệm truyền thơng ở bên kia bờ Đại tây dương giữa Mỹ, Nước Pháp, Đức và Vương quốc Anh vào 1962 1.1.2. Truyền thơng vệ tinh đầu tiên: TV và điện thoại Tổ chức Intelsat được thành lập ban đầu với 19 quốc gia và các bên đã ký kết ban đầu vào Tháng tám 1964. Việc giới thiệu REARLY BIRD (Intelsat-1) đánh dấu vệ tinh thơng tin địa tĩnh thương mại đầu tiên. Nĩ cung cấp 240 mạch điện thoại và một kênh Ti vi giữa Mỹ, Nước Pháp, Đức và Vương quốc Anh trong Tháng tư 1965. Vào 1967, vệ tinh Intelsat- II cung cấp dịch vụ tương ứng qua Đại tây dương và những vùng Thái Bình Dương. Từ 1968 đến 1970, Intelsat- III đạt được hoạt động tồn thế giới với 1500 mạch điện thoại và bốn kênh Ti vi. Lần đầu tiên vệ tinh IntelsatIV cung cấp 4000 mạch điện thoại và hai kênh Ti vi trong Tháng giêng 1971 và Intelsat- IVa cung cấp 20 bộ phát-đáp (của) 6000 mạch và hai kênh Ti vi với việc sử dụng phân tách chùm tia để sử dụng lại tần số 1.1.3. Sự phát triển của truyền dẫn vệ tinh số Vào năm 1981, lần đầu tiên vệ tinh Intelsat V đạt được dung lượng 12000 mạch với hoạt động FDMA và TDMA, bộ phát-đáp băng rộng 6/4 GHz và 14/11 GHz, và sử dụng lại tần số bằng cách tách ra chùm tia và phân cực kép. Vào năm 1989, Vệ tinh Intelsat VI cung cấp chuyển mạch TDMA trong vệ tinh lên đến 120000 mạch. Vào năm 1998, Intelsat VII, VIIa và vệ tinh Intelsat VIII được phĩng. Vào 2000, vệ tinh Intelsat- IX đạt được 160000 mạch 1.1.4. Sự phát triển của truyền hình kỹ thuật số qua vệ tinh(Direct To Home-DTH) Trong năm 1999 lần đầu tiên Vệ tinh K-Ti vi cung cấp 30 bộ phát đáp 14/ 11- 12 GHz cho 210 chương trình truyền hình cĩ khả năng truyền hình trực tiếp đến từng hộ dân và dịch vụ VSAT. GVHD:Võ Trường Sơn 8 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! 1.1.5. Sự phát triển của truyền thơng vệ tinh biển Trong Tháng sáu 1979, tổ chức Vệ tinh Biển Quốc tế (Inmarsat) đã được thiết lập để cung cấp thơng tin vệ tinh Biển tồn cầu với 26 bên ký kết ban đầu. Nĩ mở ra đặc tính di động của thơng tin vệ tinh. 1.1.6. Thơng tin vệ tinh trong vùng và trong nước Tại cấp độ khu vực,tổ chức viễn thơng vệ tinh Châu Âu(Eutelsat) được thành lập với 17 quốc gia và được kí kết vào tháng 6/1977.Nhiều nước cũng phát triển hệ thống truyền thơng vệ tinh nội địa của riêng mình, bao gồm Mỹ, Liên Xơ, Canada, Nước Pháp, Đức, Vương quốc Anh, Nhật bản, Trung quốc và một số nước khác 1.1.7. Mạng vệ tinh băng thơng rộng và mạng di động Kể từ năm 1990, những phát triển quan trọng đã được thực hiện trên những mạng băng thơng bao gồm kỹ thuật chuyển mạch trong vệ tinh. Những vệ tinh khơng địa tĩnh khác nhau đã được phát triển cho dịch vụ vệ tinh di động (MSSs) và dịch vụ vệ tinh băng thơng rộng cố định (FSSs) 1.1.8. Internet qua mạng vệ tinh Từ cuối những năm 1990 và đầu thế kỷ 20, chúng ta đã thấy một sự gia tăng 1 cách kịch tính trong lưu lượng Internet qua truyền thơng mạng. Mạng Vệ tinh đã được sử dụng để truyền dẫn lưu lượng Internet tới điện thoại và truyền hình cho truy cập và chuyển tiếp mạng.và điều này mang lại những cơ hội lớn cũng như những thách thức tới nền cơng nghiệp vệ tinh. GVHD:Võ Trường Sơn 9 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! 1.2. Các ứng dụng và các dịch vụ mạng vệ tinh Hình1.1 các ứng dụng và dịch vụ của mạng vệ tinh Vệ tinh nhân tạo hay cịn được gọi là các ngơi sao do con người chế tạo ra trên bầu trời, và đơi khi thường bị nhầm với những ngơi sao thật. Đối với nhiều người thì nĩ đầy bí ẩn. Những nhà khoa học và kỹ sư thì lại hay ví von, thường gọi chúng là các con chim hay tương tự chim, các vệ tinh cĩ thể tới những nơi rất xa mà các sinh vật khơng tồn tại ở đĩ. Chúng cĩ thể quan sát trái đất từ bầu trời, chúng giúp chúng ta tìm thấy đường trên khắp thế giới, mang đến cho chúng ta các cuộc điện thoại, emails, duyệt web ,chuyển tiếp các chương trình tivi qua bầu trời. Thật sự độ cao của vệ tinh xa bên ngồi khả năng của bất kỳ lồi chim thật nào. Khi những vệ tinh được sử dụng cho nối mạng, độ cao của nĩ cho phép thực hiện một vai trị duy nhất trong cơ sở hạ tầng mạng tồn cầu (GNI). Nối mạng vệ tinh là 1 lĩnh vực mở rộng ,và đã phát triển một cách cĩ ý nghĩa từ lần đầu tiên ra đời của hệ thống thơng tin vệ tinh, từ dịch vụ phát quảng bá điện thoại và truyền hình truyền thống tới mạng internet và băng thơng rộng hiện đại và truyền quảng bá vệ tinh số. Nhiều tiến bộ kỹ thuật trong vùng nối mạng dựa trên nối mạng vệ tinh. Với việc yêu cầu gia tăng băng thơng và sự di động tới chân trời thì vệ tinh là một lựa chọn hợp lý để cung cấp dải thơng lớn hơn với phạm vi tồn cầu ,bên ngồi mạng quả đất, và hứa hẹn 1 buổi trình diễn ấn tượng trong tương lai. Với sự phát triển của kỹ thuật nối mạng, mạng vệ tinh đang trở nên ngày càng tích hợp vào trong GNI . Vì vậy, những mạng trái đất và những giao thức làm việc với Internet là một phần quan trọng của nối mạng vệ tinh. Mục đích cuối cùng của nối mạng vệ tinh là cung cấp những dịch vụ và những ứng dụng.cung cấp những dịch vụ đầu cuối người sử dụng và các ứng dụng trực tiếp đến người sử dụng. Mạng Cung cấp dịch vụ truyền tải để mang thơng tin giữa những người dùng với một khoảng cách nhất định. Hình 1.1 minh họa một cấu hình mạng vệ tinh tiêu biểu gồm cĩ những mạng trái đất, những vệ tinh với một mối liên kết liên GVHD:Võ Trường Sơn 10 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! vệ tinh (ISL), những trạm mặt đất cố định, những trạm mặt đất di động, những thiết bị đầu cuối xách tay và cầm tay, và những thiết bị đầu cuối người dùng kết nối tới vệ tinh 1 cách trực tiếp hay thơng qua những mạng trái đất. 1.2.1. Vai trị mạng vệ tinh Trong mạng trái đất, các nút và mối liên kết được cần đạt đến những khoảng cách xa và những vùng bao phủ rộng. Chúng được tổ chức để đạt được sự bảo trì và vận hành mạng 1 cách kinh tế. Bản chất của vệ tinh đã làm cho chúng trở nên về khác nhau về căn bản với những mạng trái đất dưới dạng những khoảng cách, chia sẻ tài nguyên băng thơng, kỹ thuật truyền dẫn, thiết kế, sự phát triển và hoạt động, và những chi phí và nhu cầu của những người sử dụng. Về chức năng, mạng vệ tinh cĩ thể cung cấp kết nối trực tiếp giữa đầu cuối người dùng, kết nối cho những thiết bị đầu cuối để truy nhập vào mạng trái đất và những kết nối giữa các mạng trái đất. đầu cuối người dùng cung cấp cung cấp những dịch vụ và ứng dụng tới mọi người thường độc lập từ mạng vệ tinh ví dụ cùng một thiết bị đầu cuối cĩ thể dùng để truy nhập mạng vệ tinh cũng như truy cập mạng trái đất Những thiết bị đầu cuối vệ tinh, cũng được gọi là trạm mặt đất, và là phạm vi trái đất của mạng vệ tinh, cung cấp những điểm truy nhập tới mạng vệ tinh cho đầu cuối người dùng thơng qua trạm mặt đất người dùng(USE) Và cho những mạng trái đất qua trạm cổng trái đất(GES). Vệ tinh là hạt nhân của mạng vệ tinh và trung tâm của các mạng dưới dạng cả những chức năng lẫn những kết nối vật lý . Hình 1.2 minh họa mối quan hệ giữa đầu cuối người dùng, mạng mặt đất và mạng vệ tinh Điển hình,mạng vệ tinh gồm cĩ các vệ tinh liên kết vài GES lớn và nhiều UES nhỏ. Những GES nhỏ được sử dụng để truy nhập trực tiếp bởi đầu cuối người dùng và GES lớn dùng cho kết nối mạng trái đất . Những vệ tinh UES và GES được định nghĩa là ranh giới của mạng vệ tinh., Đối với đầu cuối xách tay và di động, chức năng đầu cuối người dùng và vệ tinh USE được tích hợp trong cùng 1 đơn vị, nhưng đối với đầu cuối xách tay anten của chúng cĩ thể phân biệt được. Vai trị quan trọng nhất của mạng vệ tinh là cung cấp sự truy nhập bởi đầu cuối người dùng và liên kết tới mạng trái đất mà các ứng dụng và dịch vụ cung cấp bởi mạng trái đất là điện thoại, truyền hình ,truy cập băng thơng rộng và kết nối internet cĩ thể mở rộng đến những nơi mà cáp và sĩng mặt đất khơng thể lắp đặt và bảo trì. Thêm vào đĩ, mạng vệ tinh cũng mang đến các dịch vụ và ứng dụng cho các tàu bè, máy bay,xe cộ, khơng gian và những nơi ngồi tầm của mạng mặt đất những vệ tinh cũng đĩng vai trị quan trọng trong quân đội, khí tượng thủy văn hệ thống định vị tồn cầu(GPS), quan sát mơi trường, dịch vụ truyền thơng tin và những dữ liệu riêng tư và sự phát triển trong tương lai của các úng dụng và dịch vụ mới cho phạm vi tồn cầu chẳng hạn mạng băng thơng rộng, thế hệ mới của mạng di động và dịch vụ phát quảng bá số trên tồn thế giới. GVHD:Võ Trường Sơn 11 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Hình 1.2 Mối quan hệ chức năng đầu cuối người dùng,mạng vệ tinh và mạng mặt đất 1.2.2. Phần mềm và phần cứng mạng Dưới dạng xử lý,đầu cuối người dùng bao gồm phần mềm và phần cứng mạng và các phần mềm ứng dụng. phần mềm và phần cứng mạng cung cấp các chức năng và cơ chế để truyền gửi thơng tin trong 1 khuơn dạng đúng và sử dụng đúng các giao thức tại điểm truy nhập mạng tương ứng, chúng cũng cĩ thể nhận các thơng tin từ điểm truy nhập. Phần cứng Mạng cung cấp những sự truyền tín hiệu sử dụng cĩ hiệu quả và chi phí thấp tài nguyên băng thơng và những kỹ thuật truyền. Dĩ nhiên , một liên kết vơ tuyến thường được làm để liên kết đầu cuối người sử dụng cịn cáp quang dung lượng lớn được dùng để liên kết với trục chính. Với sự tiến bộ của xử lý tín hiệu số (DSP), việc sử dụng phần cứng truyền thống đang được càng ngày càng thay thế bởi phần mềm để tăng tính linh hoạt của cấu hình lại, từ đây giảm bớt những chi phí. Bởi vậy tỉ lệ của sự thực hiện càng ngày càng cao trong phần mềm và ít trong phần cứng. Nhiều sự thực hiện phần cứng lần đầu tiên được thực hiện và mơ phỏng trong phần mềm, Phần cứng là nền tảng của bất kỳ việc thực hiện hệ thống nào. Chẳng hạn, những hệ thống điện thoại truyền thống chủ yếu là phần cứng; và những hệ thống điện thoại hiện đại và những mạng dữ liệu ,máy tính và Internet hiện chủ yếu là phần mềm 1.2.3. Giao diện mạng vệ tinh Điển hình,mạng vệ tinh cĩ hai kiểu giao diện ngồi: một giữa vệ tinh USE và đầu cuối người dùng; và mặt khác là giữa vệ tinh GES và mạng trái đất. Hiện tại, cĩ ba kiểu giao diện: giữa UES và hệ thống trọng tải tối đa thơng tin vệ tinh; Giữa GES và hệ thống trọng tải tối đa thơng tin vệ tinh; liên kết (ISL) giữa những vệ tinh. Tất cả GVHD:Võ Trường Sơn 12 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! sử dụng những liên kết vơ tuyến, ngoại trừ ISL chỉ cĩ thể sử dụng những mối liên kết quang học . Cũng như cáp vật lý,băng tần vơ tuyến là những một trong số nhiều tài nguyên quan trọng và khan hiếm nhất cho sự truyền thơng tin qua mạng vệ tinh. Khơng giống những cáp, dải thơng khơng thể là sản xuất, nĩ chỉ cĩ thể dùng chung và sử dụng nĩ tối ưu. Tài nguyên quan trọng khác là cơng suất truyền. Nĩi riêng, cơng suất bị giới hạn cho đầu cuối người dùng yêu cầu sự di động Băng thơng và cơng suất truyền cùng nhau trong điều kiện truyền dẫn và mơi trường xác định khả năng của mạng vệ tinh. Nối mạng vệ tinh chia sẻ nhiều khái niệm với nối mạng chung .Trong cấu trúc liên kết nĩ cĩ thể cấu hình trong cấu trúc hình sao hoặc hình lưới. Trong kĩ thuật truyền dẫn nĩ cĩ thể thiết lập kết nối điểm điểm, điểm –đa điểm,đa điểm- đa điểm. Dưới dạng giao diện, chúng ta cĩ thể dễ dàng vẽ sơ đồ mạng vệ tinh Trong điều kiện khái quát như giao diện người sử dụng mạng ( UNI) và giao diện nút mạng (NNI). Khi hai mạng cần được nối cùng nhau, một giao diện từ mạng tới mạng được thiết lập, mà nĩ chính là giao diện của một nút mạng trong một mạng với một nút mạng trong mạng khác. Chúng cĩ những chức năng tương tự như NNI. Bởi vậy, NNI cũng cĩ thể được dùng để biểu thị một giao diện từ mạng tới mạng. 1.2.4. Dịch vụ mạng USE và GSE cung cấp các dịch vụ mạng, trong mạng truyền thống chẳng hạn dịch vụ được phân làm 2 loại là dịch vụ thoại và dịch vụ vận chuyển, dịch vụ thoại là 1 dịch vụ cấp cao cĩ thể được sử dụng trực tiếp bởi người dùng như: điện thoại, dịch vụ Fax, dịch vụ video và dữ liệu .chất lượng của dịch vụ (QoS) tại mức này là người dùng trung tâm, ví dụ QoS chỉ cho người sử dụng thấy được chất lượng dịch vụ chẳng hạn điểm số trung bình khách quan(MOS), dịch vụ truyền tải là dịch vụ mức thấp hơn cung cấp bởi mạng để hỗ trợ cho dịch vụ thoại,QoS tại mức này là mạng trung tâm, ví dụ: độ trễ truyền dẫn, méo trễ , truyền dẫn lỗi và tốc độ truyền dẫn . Cĩ các phương pháp để ánh xạ giữa 2 mức của dịch vụ. mạng cần cấp phát tài nguyên để yêu cầu QoS và tối ưu hố các hoạt động của mạng, QoS mạng và QoS người dùng cĩ mâu thuẫn với điều chỉnh khách quan lưu lượng mạng ví dụ :chúng ta cĩ thể tăng QoS bằng cách giảm lưu lượng trong mạng hoặc gia tăng nguồn mạng tuy nhiên điều này cĩ thể làm giảm các dịch vụ mạng cho người khai thác mạng, người khai thác mạng cũng cĩ thể làm tăng các dịch vụ mạng bằng cách gia tăng lưu lượng mạng nhưng điều này cĩ thể làm ảnh hưởng tới QoS người dùng 1.2.5. Ứng dụng Ứng dụng là sự kết hợp của một hoặc nhiều dịch vụ mạng. Chẳng hạn,những ứng dụng giáo dục từ xa và điều trị từ xa là những ứng dụng được xây dựng dựa trên việc kết hợp dịch vụ thoại, hình ảnh và dữ liệu. Sự kết hợp của thoại, hình ảnh và dữ liệu cịn được gọi là những dịch vụ đa phương tiện. Một số ứng dụng cĩ thể sử dụng GVHD:Võ Trường Sơn 13 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! với những dịch vụ mạng để tạo ra những ứng dụng mới.Dịch vụ là một thành phần cơ bản do mạng cung cấp. Những ứng dụng được xây dựng từ những thành phần cơ bản này .Thơng thường thuật ngữ ứng dụng và dịch vụ cĩ thể thay thế cho nhau được trong câu văn ,nhưng đơi khi phân biệt chúng cũng tốt. 1.3. ITU-R sự định nghĩa dịch vụ mạng Những ứng dụng của vệ tinh được dựa trên những dịch vụ cơ bản của vệ tinh. Do bản chất của truyền thơng vơ tuyến,các dịch vụ của vệ tinh bị giới hạn bởi tần số vơ tuyến sẵn cĩ . Những dịch vụ vệ tinh khác nhau được định nghĩa, bao gồm: dịch vụ vệ tinh cố định (FSS) ,dịch vụ vệ tinh di động (MSS) và dịch vụ vệ tinh quảng bá do ITU- R lập kế hoạch cấp phát và quản lý băng thơng. 1.3.1. Dịch vụ vệ tinh cố định FSS được định nghĩa là một dịch vụ thơng tin vơ tuyến giữa một vị trí đã cho trên bề mặt trái đất với một hoặc nhiều vệ tinh được sử dụng. Những trạm tại mặt đất được gọi là trạm mặt đất FSS, trạm được đặt trên những vệ tinh , chủ yếu gồm cĩ bộ phát-đáp vệ tinh và những anten, được gọi là những trạm khơng gian FSS. Tuy nhiên, những vệ tinh thế hệ mới cĩ cả những hệ thống thơng tin liên lạc phức tạp onboard bao gồm cả chuyển mạch onboard. Truyền thơng giữa những trạm mặt đất là kết nối một vệ tinh hay nhiều vệ tinh thơng qua ISL(inter-satellite link). Cũng cĩ thể hai vệ tinh được nối thơng qua một trạm mặt đất chung mà khơng cĩ một ISL. FSS cũng bao gồm những liên kết fiđơ chẳng hạn liên kết giữa trạm mặt đất cố định và vệ tinh cho dịch vụ phát thanh vệ tinh (BSS) và dịch vụ vệ tinh di động (MSS). FSS hỗ trợ tất cả mọi loại dịch vụ kĩ thuật viễn thơng và dữ liệu mạng như điện thoại, Fax, dữ liệu, video, Tivi, Internet và rađiơ. 1.3.2. Dịch vụ vệ tinh di động MSS được định nghĩa như một dịch vụ thơng tin vơ tuyến giữa những trạm mặt đất di động với một hoặc nhiều vệ tinh, bao gồm MSS biển, hàng khơng và đất liền. Vì những yêu cầu di động, nên các thiết bị đầu cuối mặt đất di động thường nhỏ, và thậm chí là những thiết bị đầu cuối cầm tay. 1.3.3. Dịch vụ phát thanh vệ tinh BSS là một dịch vụ thơng tin vơ tuyến mà trong đĩ những tín hiệu truyền đi hay truyền ngược lại bằng vệ tinh nhằm mục đích là thu trực tiếp bởi người dùng sử dụng anten truyền hình chỉ thu (TVRO).Vệ tinh thực hiện cho BSS thường được gọi là những vệ tinh phát thanh trực tiếp ( DBS). Thu trực tiếp bao gồm trực tiếp tới từng hộ dân (DTH) và truyền hình cáp(CATV). Thế hệ mới của BSS cĩ thể truyền ngược lại thơng qua vệ tinh. 1.3.4. Các dịch vụ vệ tinh khác Một số dịch vụ vệ tinh khác được thiết kế cho những ứng dụng đặc biệt như quân đội, xác định bằng vơ tuyến, định vị, khí tượng học, nghiên cứu trái đất và thăm dị khơng gian. Một bộ gồm những trạm khơng gian và những trạm mặt đất làm việc GVHD:Võ Trường Sơn 14 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! cùng nhau để cung cấp thơng tin vơ tuyến được gọi là một hệ thống vệ tinh. Để tiện hơn, đơi khi 1 hệ thống vệ tinh hay một phần của nĩ được gọi là một mạng vệ tinh. Chúng ta thấy rằng trong phạm vi của giao thức mạng, hệ thống vệ tinh cĩ thể khơng cần hỗ trợ tất cả các lớp chức năng của ngăn xếp giao thức(lớp vật lý,lớp liên kết, lớp mạng). CHƯƠNG 2. MẠNG VỆ TINH VÀ CÁC ĐẶC ĐIỂM 2.1. Mạng vệ tinh Cĩ hai loại kỹ thuật truyền: truyền broadcast và truyền điểm-điểm. Mạng vệ tinh cĩ thể hỗ trợ cả broadcast và kết nối từ điểm tới điểm. Mạng vệ tinh thực sự hữu ích nhất ở những nơi cĩ đặc điểm phạm vi rộng quan trọng. Thực hiện nối mạng vệ tinh đĩng một vai trị quan trọng trong cung cấp phủ sĩng tồn cầu. Cĩ ba loại vai trị mà những vệ tinh cĩ thể cĩ trong mạng thơng tin: mạng truy nhập , mạng chuyển tiếp và broadcast 2.1.1. Mạng truy nhập Truy nhập mạng cung cấp sự truy nhập cho đầu cuối người dùng hay những mạng riêng tư. Trong lịch sử mạng điện thoại, nĩ cung cấp những kết nối từ điện thoại hay tổng đài nội bộ (PBX) đến những mạng điện thoại. thiết bị đầu cuối người dùng kết nối tới thiết bị đầu cuối trái đất vệ tinh dùng để truy nhập kết nối trực tiếp vệ tinh. Ngày nay, ngồi mạng truy nhập điện thoại, truy nhập mạng cũng cĩ thể là truy nhập ISDN, truy nhập B-ISDN và truy nhập Internet 2.1.2. Mạng chuyển tiếp Mạng chuyển tiếp cung cấp kết nối giữa những mạng hay chuyển mạch mạng. Nĩ thường cĩ dung lượng lớn để hỗ trợ một số lượng lớn kết nối cho lưu lượng mạng. Những người sử dụng khơng sự truy nhập trực tiếp tới nĩ. Bởi vậy nĩ thường trong suốt đối với người sử dụng. Một ví dụ vệ tinh làm nhiệm vụ mạng chuyển tiếp GVHD:Võ Trường Sơn 15 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! bao gồm nối mạng điện thoại quốc tế,ISDN,B-ISDN,mạng trục chính internet.Băng thơng chia sẻ thường sử dụng kĩ thuật đa truy nhập gán cố định. 2.1.3. Mạng quảng bá Vệ tinh hỗ trợ cả dịch vụ viễn thơng lẫn dịch vụ phát thanh. Vệ tinh cĩ thể cung cấp những dịch vụ truyền thơng rất hiệu quả bao gồm phát quảng bá thoại và video số ( DVB- S) Và DVB với kênh trở về thơng qua vệ tinh (DVB- RCS). 2.1.4. Phần khơng gian của hệ thống vệ tinh Thành phần chính của một hệ thống vệ tinh thơng tin gồm cĩ phạm vi khơng gian:vệ tinh, và phạm vi trái đất: trạm mặt đất. Thiết kế của mạng vệ tinh liên quan tới những yêu cầu dịch vụ, quỹ đạo,vùng phủ sĩng và sự chọn lọc dải tần số. Vệ tinh là lõi của mạng vệ tinh gồm cĩ một hệ thống con và nền hệ thống truyền thơng. Nền hệ thống, cịn gọi là bus cung cấp cấu trúc hỗ trợ và cấp nguồn cho hệ thống con truyền thơng,và cũng bao gồm điều chỉnh độ cao, điều khiển quỹ đạo, điều khiển nhiệt, theo dõi, đo lường và điều khiển từ xa (TT & T) để bảo dưỡng những hoạt động bình thường của hệ thống vệ tinh. Hình 2.1 Minh hoạ phạm vi khơng gian và phạm vi mặt đất Hệ thống con viễn thơng gồm cĩ những bộ phát-đáp và anten.Anten được ghép với những bộ phát-đáp được thiết kế đặc biệt để cung cấp vùng phủ sĩng cho mạng vệ tinh. Vệ tinh thế hệ mới cĩ thể cĩ bộ xử lý onboard (OBP) và bộ chuyển mạch onboard (OBS). Các loại bộ phát đáp khác nhau: GVHD:Võ Trường Sơn 16 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! ─ Những bộ phát-đáp Trong suốt cung cấp chức năng chuyển tiếp những tín hiệu vơ tuyến , (sự) tiếp sức. Chúng nhận tín hiệu truyền từ trạm mặt đất và truyền ngược lại từ chúng tới các trạm mặt đất sau khi đã khuếch đại và biến đổi tần .Những vệ tinh với những bộ phát-đáp trong suốt được gọi là những vệ tinh trong suốt. ─ Bộ phát-đáp OBP cung cấp những chức năng bổ sung bao gồm xử lý tín hiệu số (DSP), khơi phục và xử lý tín hiệu băng tần cơ sở trước khi truyền lại tín hiệu từ vệ tinh.tới trạm mặt đất. Những vệ tinh với bộ phát- đáp OBP được gọi là vệ tinh OBP. ─ Bộ phát-đáp OBS cĩ những chức năng bổ sung so với những bộ phát-đáp OBP, cung cấp chức năng chuyển mạch. Tương tự như vậy ,vệ tinh với bộ phát-đáp OBS được gọi là vệ tinhOBS. Ngồi ra, trung tâm điều khiển vệ tinh (SCC) và trung tâm điều khiển mạng (NCC) hay trung tâm quản lý mạng (NMC)là một phần của phạm vi khơng gian được đặt tại mặt đất: ─ Trung tâm điều khiển Vệ tinh (SCC): nĩ là hệ thống đặt ở mặt đất chiụ trách nhiệm về hoạt động của vệ tinh. Nĩ theo dõi tình trạng của hệ thống con vệ tinh khác nhau thơng qua liên kết đo từ xa,điều khiển vệ tinh hoạt động theo quỹ đạo danh định của nĩ thơng qua mối liên kết điều khiển từ xa. Nĩ (SCC) liên kết với vệ tinh thơng qua những liên kết dành riêng, khác với những mối liên kết truyền thơng.Nĩ thường bao gồm một trạm mặt đất và hệ thống vệ tinh GEO hay khơng GEO, nhận đo lường từ xa từ trạm vệ tinh và gửi lệnh điều khiển từ xa cho vệ tinh. Đơi khi, một trung tâm sao lưu được xây dựng tại một vị trí khác để cải thiện độ tin cậy và tính sẵn sàng ─ Trung tâm điều khiển mạng (NCC) hay trung tâm quản lý mạng (NMC): cĩ các chức năng khác với SCC. Những chức năng chính của nĩ là quản lý lưu lượng mạng và liên kết tài nguyên trong vệ tinh và trên mặt đất để đạt được hiệu quả sử dụng mạng vệ tinh cho truyền thơng. Chi tiết về phần khơng gian của hệ thống thơng tin vệ tinh • BỘ PHÁT ĐÁP ─ Tổ chức kênh của bộ phát đáp Bộ phát đáp bao gồm tập hợp các khối nối với nhau để tạo nên một kênh thơng tin duy nhất giữa anten thu và anten phát trên vệ tinh thơng tin. Một số khối trong bộ phát đáp cĩ thể được dùng chung cho nhiều bộ phát đáp khác.Trước khi trình bày chi tiết các khối khác nhau cuả bộ phát đáp, ta sẽ xét ngắn gọn tổ chức tần số cho thơng tin vệ tinh băng C. Băng thơng ấn định cho dịch vụ băng C là 500 MHz và băng thơng này được chia thành các băng con, mỗi băng con dành cho một bộ phát đáp. Độ rộng băng tần thơng thường của bộ phát đáp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ giữa các bộ phát đáp là 4MHz.Vì thế băng tần 500 MHz cĩ thể đảm bảo cho GVHD:Võ Trường Sơn 17 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! 12 bộ phát đáp. Bằng cách ly phân cực, ta cĩ thể tăng số bộ phát đáp lên hai lần. Cách ly phân cực cho phép sử dụng cùng một tần số nhưng với phân cực ngược chiều nhau cho hai bộ phát đáp. Để thu được kênh của mình, các anten thu phải cĩ phân cực trùng với phân cực phát của kênh tương ứng. Đối với phân cực tuyến tính, ta cĩ thể cách ly phân cực bằng phân cực đứng và phân cực ngang. Đối với phân cực trịn, cách lý phân cực nhận được bằng cách sử dụng phân cực trịn tay phải và phân cực trịn tay trái. Vì các sĩng mang với phân cực đối nhau cĩ thể chổng lần lên nhau, nên kỹ thuật này được gọi là tái sử dụng tần số. Hình 2.2 cho thấy quy hoạch tần số và phân cực cho vệ tinh thơng tin băng C Hình 2.2 Quy hoạch tần số và phân cực(tần số trên hình tính bằng MHz) Cũng cĩ thể tái sử dụng tần số bằng các anten búp hẹp, và phương thức này cĩ thể kết hợp với tái sử dụng theo phân cực để cung cấp độ rộng băng tần hiệu dụng 2000 MHz trên cơ sở độ rơng thực tế 500 MHz. Đối với một trong số các nhĩm phân cực, hình 2.3 cho thấy chi tiết hơn sơ đồ phân kênh cho 12 bộ phát đáp. Dải tần thu hay dải tần đường lên là 5,925 đến 6,425 GHz. Các sĩng mang cĩ thể được thu trên một hay nhiều anten đồng phân cực. Bộ lọc vào cho qua tồn bộ băng tần 500 MHz đến mày thu chung và loại bỏ tạp âm cũng với nhiễu ngồi băng (nhiễu này cĩ thể gây ra do các tín hiệu ảnh). Trong dải thơng 500 MHz này cĩ thể cĩ rất nhiều sĩng mang được điều chế và tất cảc các sĩng mang này đều được khuyếch đại, biến đổi tần số trong máy thu chung. Biến đổi tần số chuyển các sĩng mang này vào băng tần số đường xuống 3,7 đến 4,2 MHz với độ rộng 500 MHz. Sau đĩ các tín hiệu được phân kênh vào các độ rộng băng tần của từng bộ phát đáp. Thơng thường độ rộng băng tần cấp cho mỗi bộ phát đáp là 36 MHz với đoạn băng bảo vệ 4 MHz, vì thế 500MHz cĩ thể đảm bảo kênh cho 12 bộ phát đáp. Bộ phát đáp cĩ thể xử lý một sĩng mang được điều chế như tín hiệu TV GVHD:Võ Trường Sơn 18 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! chẳng hạn hay cĩ thể xử lý nhiều sĩng mang đồng thời với mỗi sĩng mang được điều chế bởi tín hiệu điện thoại hay kênh băng gốc nào đĩ. Hình 2.3 Các kênh của bộ phát đáp vệ tinh ─ Các thiết bị của bộ phát đáp bao gồm: máy thu băng rộng, bộ phân kênh, bộ khuếch đại và bộ ghép kênh. • Phân hệ anten Anten trên vệ tinh thực hiện chức năng kép: thu đường lên và phát đường xuống. Chúng cĩ nhiều loại: từ các anten dipole cĩ đặc tính vơ hướng đến các anten tính hướng cao phục vụ cho viễn thơng, chuyển tiếp truyền hình và phát quảng bá. Búp sĩng của anten thường được tạo ra bởi các anten kiểu phản xạ, thường là bộ phản xạ parabol trịn xoay. Hệ số khuếch đại của anten phản xạ parabol so với bộ phát xạ đẳng hướng được xác định theo phương trình sau: πD G = η ( ) 2 1 λ trong đĩ λ là bước sĩng của tín hiệu, D là đường kính bộ phản xạ và ηI là hiệu suất mặt mở (thường cĩ giá trị bằng 0,55). Độ rộng búp sĩng -3dB được xác định gần đúng như sau: GVHD:Võ Trường Sơn 19 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! λ θ ≅ 70 3dB D Tỷ số D/λ được coi là hệ số chủ chốt của các phương trình trên: hệ số khuếch đại tỷ lệ thuận với (D/λ)2 và độ rộng búp sĩng tỷ lệ nghịch với D/λ. Vì thế hệ số khuếch đại sẽ tăng khi độ rộng búp sĩng hẹp hơn bằng các tăng kích thước bộ phản xạ và giảm bước sĩng. Các bộ phản xạ kích thước lớn là các bộ phản xạ băng 6/4GHz. Các bộ phản xạ trong băng tần 14/12GHz với cùng hiệu năng sẽ cĩ kích thước nhỏ hơn nhiều • Phân hệ thơng tin Hình 2.4 cho thấy phân hệ thơng tin vệ tinh Morelos của Mexico để làm thí dụ. Tải trọng trên Morelos được gọi là tải trọng lai ghép hay lưỡng băng vì nĩ mang các bộ phát đáp băng C và băng K. Trong băng C nĩ cung cấp 12 kênh mỗi kênh rộng 36 MHz và sáu kênh băng rộng với mỗi kênh rộng 72 MHz. Trong băng K, nĩ cung cấp bốn kênh với mỗi kênh rộng 108 MHz. Các kênh 36 MHz sử dụng các TWTA 7-W với dự phịng 12:14. Nghĩa là 12 bộ dự phịng cho 14 bộ hoạt động. Các kênh 72 MHz sử dụng các TWTA 10,5 W với dự phịng 6:8. Các máy thu được thiết kế bằng linh kiện bán dẫn và với dự phịng 2:4cho băng C và 1:2 cho băng K. Anten với bộ phản xạ trịn đường kính 180 cm được sử dụng cho băng C. Đây là anten hai phân cực với tiếp sĩng riêng băng C cho các phân cực ngang và đứng. Anten băng K cĩ bộ phản xạ Elip. Nĩ cĩ dàn tiếp sĩng riêng để tạo ra vùng phủ sĩng trên Mexico. GVHD:Võ Trường Sơn 20 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Bán cầu 6/4GHz Vùng rộng 6/4GHz phân cực vuơng gĩc Vùng hẹp 14/11GHz phân cực đơn Hình 2.4 Các khả năng phủ sĩng của vệ tinh Atlantic INTELSAT VI (lưu ý: các búp sĩng hẹp 14/11GHz cĩ thể khai thác và chuyển dịch theo yêu cầu) • Phân hệ đo bám và điều khiển từ xa (TT&C) Phân hệ TT&C (Telemetry, Tracking and Command: Đo từ xa, bám và điều khiển) thực hiện một số chức năng thường xuyên trên vệ tinh. Chức năng đo từ xa cĩ thể hiểu như là đo trên một cự ly xa. Chẳng hạn tạo ra một tín hiệu điện tỷ lệ với chất lượng được đo, mã hố nĩ và phát nĩ đến trạm xa (trạm mặt đất). Dữ liệu trong tín hiệu đo từ xa cĩ cả thơng tin độ cao nhận được từ các bộ cảm biến mặt trời và trái đất, thơng tin mơi trường như cường độ từ trường và phương, tần suất ảnh hưởng của thiên thạch và các thơng tin về tầu vũ trụ như: nhiệt độ, điện áp nguồn, áp suất nhiên liệu. Một số tần số được quốc tế quy định để phát tín hiệu đo từ xa cho vệ tinh. Trong giai đoạn phĩng vệ tinh, một kênh đặc biệt được sử dụng cùng với anten vơ hướng. Khi vệ tinh đã vào quỹ đạo ổn định, một trong số các bộ phát đáp thường được sử dụng cùng với anten cĩ hướng, khi xảy ra trình trạng khẩn cấp kênh này sẽ được chuyển mạch trở về kênh đặc biệt khi phĩng vệ tinh. Cĩ thể coi đo từ xa và điều khiển là các chức năng bù lẫn cho nhau. Phân hệ đo từ xa phát thơng tin về vệ tinh đến trạm mặt đất, cịn phân hệ điều khiển thu các tín hiệu, thường là trả lời cho thơng tin đo từ xa. Phân hệ điều khiển giải điều chế và khi GVHD:Võ Trường Sơn 21 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! cần thiết giải mã các tín hiệu điều khiển rồi chuyển chúng đến thiết bị thích hợp để thực hiện hành động cần thiết. Vì thế cĩ thể thay đổi độ cao, đấu thêm hoặc cắt bớt các kênh, định hướng lại anten hoặc duy trì quỹ đạo (maneuvers) theo lệnh từ mặt đất. Để tránh thu và giải mã các lệnh giả, các tín hiệu điều khiển được mật mã hố. Bám vệ tinh được thực hiện bằng các tín hiệu hải đăng được phát đi từ vệ tinh. Các tín hiệu này được TT&C trạm mặt đất thu. Bám đặc biệt quan trong trong các giai đoạn chuyển và dịch quỹ đạo của quá trình phĩng vệ tinh. Khi vệ tinh đã ổn định, vị trí của vệ tinh địa tĩnh cĩ xu thế bị dịch do các lực nhiễu khác nhau. Vì thế phải cĩ khả năng bám theo sự xê dịch của vệ tinh và phát đi các tín hiệu hiệu chỉnh tương ứng. Các hải đăng bám cĩ thể được phát trong kênh đo từ xa hay bằng các sĩng mang hoa tiêu tại các tần số trong một trong số các kênh thơng tin chính hay bởi các anten bám đặc biệt. Định kỳ cũng cần cĩ thơng tin về khoảng cách từ vệ tinh đến trạm mặt đất. Thơng tin này được xác định bằng cách đo trễ truyền các tín hiệu phát riêng cho mục đích đo cự ly. Ta thấy rằng các chức năng đo từ xa, bám và điều khiển là các khai thác phức tạp địi hỏi các phương tiện đặc biệt dưới đất ngồi các phân hệ TT&C trên vệ tinh. Hình 2.5 cho thấy sơ đồ khối cho các phương tiện TT&C ở hệ thống vệ tinh Telesat của Canada. Hình 2.5 Hệ thống điều khiển vệ tinh GVHD:Võ Trường Sơn 22 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! 2.1.5. Phạm vi mặt đất Trạm mặt đất là một phần của mạng vệ tinh. Nĩ cung cấp những chức năng phát và nhận các tín hiệu lưu lượng từ và tới những vệ tinh. Nĩ cũng trực tiếp cung cấp những giao diện cho mạng trái đất hay tới những đầu cuối người dùng. Trạm mặt đất cĩ thể gồm cĩ những phần sau đây: ─ Anten phát và thu là những phần rõ ràng nhất của trạm mặt đất. Cĩ nhiều kích thước khác nằm trong phạm vi từ 0,5m tới 16 mét và hơn nữa. ─ Bộ khuếch đại tạp âm thấp của hệ thống thu với độ ồn nằm trong khoảng từ 30 K tới vài trăm K ─ Bộ khuếch đại cơng suất cao (HPA) của máy phát với cơng suất từ vài ốt đến vài kilơoat phụ thuộc vào dung lượng ─ Điều chế,giải điều chế và dịch tần ─ Xử lý tín hiệu ─ Giao diện mạng mặt đất hoặc đầu cuối người dùng Chi tiết về phần mặt đất của hệ thống thơng tin vệ tinh. • CÁC HỆ THỐNG TV GIA ĐÌNH, TVRO ─ Sơ đồ khối tổng quát của TVRO Theo quy định truyền hình quảng bá trực tiếp đến máy thu TV gia đình được thực hiện trong băng tần Ku (12 GHz). Dịch vụ này được gọi là dịch vụ vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS: direct broadcast satellite). Tuỳ thuộc vào vùng địa lý ấn định băng tần cĩ thể hơi thay đổi. Ở Mỹ, băng tần đường xuống là 12,2 đến 12,7GHz. Tuy nhiên, hiện này nhiều gia đình sử dụng các chảo khá to (đường kính khoảng 3m) để thu các tín hiệu TV đường xuống trong băng C (GHz). Các tín hiệu đường xuống này khơng chủ định để thu gia đình mà dành cho việc chuyển đổi mạng đến các mạng phân phối truyền hình (các đài phát VHF, UHF và cáp truyền hình). Mặc dù cĩ vẻ như thực tế thu các tín hiệu TV hiện nay được thiết lập rất tốt, nhưng nhiều nhân tố kỹ thuật, thương mại và pháp lụât ngăn cản việc thu này. Các khác biệt chính giữa các hệ thống TVRO (TV recieve only: chỉ thu TV) băng Ku và băng C là ở tần số cơng tác của khối ngồi trời và các vệ tinh dành cho DBS ở băng Ku cĩ EIRP (cơng suất phát xạ đẳng hướng tương đương) cao hơn nhiều so với băng C. Hình 2.6 cho thấy các khối chính trong một hệ thống thu DBS của đầu cuối gia đình. Tất nhiên cấu trúc này sẽ thay đổi trong các hệ thống khác nhau, nhưng sơ đồ này sẽ cung cấp các khái niệm cơ sở về máy thu TV tương tự (FM). Hiện nay TV số trực tiếp đến gia đình đang dẫn thay thế các hệ thống tương tự, nhưng các khối ngồi trời vẫn giống nhau cho cả hai hệ thống. GVHD:Võ Trường Sơn 23 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Hình 2.6 Sơ đồ khối đầu cuối thu DBS-TV/FM gia đình ─ Khối ngồi trời Khối này bao gồm một anten thu tiếp sĩng trực tiếp cho tổ hợp khuếch đại tạp âm nhỏ/ biến đổi hạ tần. Thơng thường bộ phản xạ parabol được sử dụng với loa thu đặt ở tiêu điểm. Bình thường thiết kế cĩ tiêu điểm đặt ngay trước bơ phản xạ, nhưng trong một số trường hợp để loại bỏ nhiễu tốt hơn, bộ tiếp sĩng (Feed) cĩ thể được đặt lệch như thấy trên hình vẽ. Kinh nghiệm cho thấy rằng cĩ thể thu chất lượng đảm bảo bằng các bộ phản xạ cĩ đường kính từ 0,6 đến 1,6m (1,97-5,25 ft) và kích thước chỉ dẫn thơng thường là 0,9m (2,95ft) và 1,2m (3,94 ft). Trái lại đường kính bộ phản xạ băng C (4GHz) thường vào khoảng 3m (9,84 ft). Lưu ý rằng hệ số khuếch đại anten tỷ lệ thuận với (D/ λ )2. So sánh khuếch đại của chảo 3m tại 4GHz với chảo 1m tại 12 GHz, ta thấy trong cả hai trường hợp tỷ số D/ λ =40, vì thế khuếch đại của chúng bằng nhau. Tuy nhiên mặc dù suy hao truyền sĩng tại 12 GHz cao hơn nhiều so với 4GHz, nhưng ta khơng cần anten thu cĩ khuếch đại cao hơn vì các vệ tinh quảng bá trực tiếp làm việc ở cơng suất phát xạ đẳng hướng tương đương cao hơn nhiều. Băng tần đường xuống dải 12,2 đến 12,7 GHz cĩ độ rộng 500 MHz cho phép 32 kênh TV với mỗi kênh cĩ độ rộng là 24 MHz. Tất nhiên các kênh cạnh nhau sẽ phần nào chồng lấn lên nhau, nhưng các kênh này được phân cực LHC và RHC đan xen để giảm nhiễu đến các mức cho phép. Sự phân bố tần số như vậy được gọi là GVHD:Võ Trường Sơn 24 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! đan xen phân cực. Loa thu cĩ thể cĩ bộ lọc phân cực được chuyển mạch đến phân cực mong muốn dưới sự điều khiển của khối trong nhà. Loa thu tiếp sĩng cho khối biến đổi tạp âm nhỏ (LNC: low noise converter) hay khối kết hợp khuếch đại tạp âm nhỏ (LNA: low noise amplifier) và biến đổi (gọi chung là LNA/C). Khối kết hợp này được gọi là LNB (Low Noise Block: khối tạp âm nhỏ). LNB đảm bảo khuếch đại tín hiệu băng 12 GHz và biến đổi nĩ vào dải tần số thấp hơn để cĩ thể sử dụng cáp đồng trục giá rẻ nối đến khối trong nhà. Dải tần tín hiệu sau hạ tần là 950-1450 MHz (xem hình 2.6). Cáp đồng trục hoặc cáp đơi dây được sử dụng để truyền cơng suất một chiều cho khối ngồi trời. Ngồi ra cũng cĩ các dây điều khiển chuyển mạch phân cực. Khuếch đại tạp âm nhỏ cần được thực hiện trước đầu vào khối trong nhà để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm yêu cầu. Ít khi bộ khuếch đại tạp âm nhỏ được đặt tại phía đầu vào khối trong nhà vì nĩ cĩ thể khuếch đại cả tạp âm của cáp đồng trục. Tất nhiên khi sử dụng LNA ngồi trời cần đảm bảo nĩ hoạt động được trong điều kiện thời tiết thay đổi và cĩ thể bị phá hoại hoặc đánh cắp ─ Khối trong nhà cho TV tương tự (FM) Tín hiệu cấp cho khối trong nhà thường cĩ băng tần rộng từ 950 đến 1450 MHz. Trước hết nĩ được khuếch đại rồi chuyển đến bộ lọc bám để chọn kênh cần thiết (xem hình 2.6). Như đã nĩi, đan xen phân cực được sử dụng vì thế khi thiết lâp một bộ lọc phân cực ta chỉ cĩ thể thu được một nửa số kênh 32 MHz. Điều này giảm nhẹ hoạt động của bộ lọc bám vì bây giờ các kênh đan xen được đặt cách xa nhau hơn. Sau đĩ kênh được chọn được biến đổi hạ tần: thường từ dải 950 MHz vào 70 MHz, tuy nhiên cũng cĩ thể chọn các tần số khác trong dải VHF. Bộ khuếch đại 70 MHz khuếch đại tín hiệu đến mức cần thiết cho giải điều chế. Sự khác biệt chính giữa DBS và TV thơng thường ở chỗ DBS sử dụng điều tần cịn TV thơng thường sử dụng điều biên (AM) ở dạng đơn biên cĩ nén (VSSB: Vestigal Single Sideband). Vì thế cần giải điều chế sĩng mang 70 MHz và sau đĩ tái điều chế AM để tạo ra tín hiệu VSSB trước khi tiếp sĩng cho các kênh VHF/UHF của máy TV tiêu chuẩn. Máy thu DBS cịn cung cấp nhiều chức năng khơng được thể hiện trên hình 2.6. Chẳng hạn các tín hiệu Video và Audio sau giải điều chế ở đầu ra V/A cĩ thể cung cấp trực tiếp cho các đầu V/A của máy thu hình. Ngồi ra để giảm nhiễu người ta cịn bổ sung vào sĩng mang vệ tinh một dạng sĩng phân tán năng lượng và máy thu DBS cĩ nhiệm vụ loại bỏ tín hiệu này. Các đầu cuối cũng cĩ thể được trang bị các bộ lọc IF để giảm nhiễu từ các mạng TV mặt đất và cĩ thể phải sử dụng bộ giải ngẫu nhiên hố (giải mã) để thu một số chương trình. ─ Hệ thống anten chủ Hệ thống TV anten chủ (MATV: Master- Antena TV) đảm bảo thu các kênh DBS/TV cho một nhĩm người sử dụng, chẳng hạn cho các người thuê căn hộ trong tồ nhà. Hệ thống này gồm một khối ngồi trời (anten và LNA/C) tiếp sĩng cho GVHD:Võ Trường Sơn 25 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! nhiều khối trong nhà (xem hình 2.7). Hệ thống này căn bản giống như hệ thống gia đình đã trình bầy ở trên nhưng cho phép từng người sử dụng truy nhập độc lập đến tất cả các kênh. Ưu điểm của hệ thống này là chỉ cần một khối ngồi trời, nhưng phải cĩ các LNA/C và cáp tiếp sĩng riêng cho từng phân cực. So với hệ thống một người sử dụng, cần cĩ anten lớn hơn (đường kính 2 đến 3 m) để đảm bảo tỷ số tín hiệu trên tạp âm cho tất cả các khối trong nhà. Nhĩm kênh phân cực LHC LNA/C Diplexer phân cực Bộ phản xạ LNA/C parabol Nhĩm kênh phân cực RHC Khối ngồi trời Bộ chia Khối trong nhà cơng suất Bộ chọn Bộ điều nhĩm Máy thu 1 chế 1 kênh Hình 2.7 Hệ thống anten chủ ─ Hệ thống anten tập thể Hệ thống TV anten tập thể (CATV: Community Atenna TV) sử dụng một khối ngồi trời với các tiếp sĩng riêng cho từng phương phân cực giống như hệ thống MTAV để cĩ thể cung cấp tất cả các kênh đồng thời tại máy thu trong nhà. Thay vì sử dụng một máy thu riêng cho từng người sử dụng, tất cả các sĩng mang đều được giải điều chế tại một hệ thống lọc-thu chung như ở hình 2.8. Sau đĩ tất cả các kênh được kết hợp vào một tín hiệu ghép chung để truyền dẫn theo cáp đến các thuê bao. Đối với các vùng xa, thay vì dùng cáp phân phối, người ta cĩ thể phát lại quảng bá tin hiệu bằng một đài phát TV ở xa với sử dung anten đường kính 8m (26,2 ft) để thu tín hiệu vệ tinh trong băng C. GVHD:Võ Trường Sơn 26 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Cũng cĩ thể phân phối chương trình thu từ vệ tinh bằng hệ thống CATV. 950-1450 từ các khối ngồi trời Máy thu Máy thu băng rộng băng rộng Các bộ lọc kênh 1 3 5 2 4 6 Các bộ giải điều chế Bộ kết hợp Cáp phân phối Hình 2.8 Cấu trúc khối trong nhà cho hệ thống TV anten tập thể(CATV) • Các trạm mặt đất phát thu Trong các phần trước ta đã xét các trạm TV chỉ thu. Tất nhiên, ở một nơi nào đĩ ta cần cĩ một tram phát để hồn thiện đường truyền. Trong một số trường hợp chỉ cần trạm chỉ phát, chẳng hạn khi chuyển tiếp tín hiệu truyền hình đến các trạm chỉ thu TV ở xa Các trạm phát thu đảm bảo cả hai chức năng và thường được sử dụng cho viễn thơng với lưu lượng bao hàm cả mạng TV. Các phần tử cơ bản của một trạm mặt đất cĩ dự phịng được cho trên hình 2.9. Nhắc lại rằng dự phịng cĩ nghĩa một số khối được nhân đơi. Một khối được dự phịng kép này khi bị sự cố sẽ tự động chuyển mạch đến khối dự phịng. Các khối dự phịng được vẽ trên hình 2.9 ở dạng đường ngắt quãng. GVHD:Võ Trường Sơn 27 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Hình 2.9 Các phần tử căn bản của một trạm mặt đất cĩ dự phịng Sơ đồ khối chi tiết của trạm phát thu mặt đất được cho ở hình 2.10, trong đĩ để dễ nhìn ta khơng trình bày các khối dự phịng. Hình 2.10 Sơ đồ chi tiết một trạm thu phát Nhìn từ phía dưới sơ đồ, trước hết ta thấy thiết bị kết nối trạm vệ tinh mặt đất với mạng viễn thơng mặt đất. Để giải thích ta sẽ xét lưu lượng điện thoại. Lưu lượng này cĩ thể gồm nhiều kênh điện thoại được ghép với nhau theo tần số, hoặc thời gian. Ghép kênh này cĩ thể khác với ghép kênh cần thiết để truyền dẫn vệ tinh, vì thế khối tiếp theo là thiết bị ghép kênh thực hiện lập khuơn dạng lại cho lưu lượng. Sau đĩ GVHD:Võ Trường Sơn 28 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! luồng ghép được điều chế ở trung tần (IF), thường là 70 MHz. Nhiều tầng trung tần song song được sử dụng cho từng sĩng mang được phát. Sau khuyếch đại IF 70 MHz, tín hiệu sau điều chế được biến đổi nâng tần đến tần số sĩng mang cần thiết. Nhiều sĩng mang cĩ thể được phát cùng một lúc và mặc dù đây là các tần số khác nhau, các sĩng mang được đặc tả theo tần số: các sĩng mang 6GHz hay các sĩng mang 14 GHz. Cần lưu ý rằng mỗi sĩng mang cĩ thể được sử dụng cho nhiều điểm nhận. Nghĩa là chúng mang lưu lượng đến các trạm khác nhau. Chẳng hạn một sĩng mang vi ba cĩ thể mang lưu lượng đến Boston và New York. Cùng một sĩng mang được thu tại hai điểm, được lọc ra bởi các bộ lọc tại trạm mặt đất thu. Sau khi đi qua bộ biến đổi nâng tần, các sĩng mang được kết hợp và tín hiệu tổng băng rộng được khuếch đại. Tín hiệu băng rộng sau khuếch đại đựơc tiếp sĩng đến anten qua bộ ghép song cơng: Diplexer. Diplexer cho phép anten xử lý đồng thời nhiều tín hiệu phát và thu. Anten trạm làm việc ở cả hai chế độ phát thu đồng thời nhưng tại các tần số khác nhau. Trong băng C, đường lên danh định hay tần số phát là 6GHz và đường xuống hay tần số thu là 4GHz. Trong băng Ku, tần số đường lên danh định là 14 GHz và đường xuống là 12 GHz. Do các anten khuếch đại cao được sử dụng cho cả hai đường, nên chúng cĩ các búp sĩng rất hẹp. Búp sĩng hẹp này cần thiết để ngăn chặn nhiễu giữa các đường vệ tinh lân cận. Trong trường hợp băng C, cũng cần tránh nhiễu đến từ các tuyến vi ba mặt đất . Các tuyến vi ba mặt đất khơng hoạt động tại các tần số băng Ku. Trong nhánh thu (phía phải của hình 2.10), tín hiệu thu được khuếch đại trong bộ khuếch đại tạp âm nhỏ sau đĩ được chuyển đến bộ chia để tách thành các sĩng mang khác nhau. Các sĩng mang này được biến đổi hạ tần đến băng IF rồi được chuyển đến khối ghép kênh để được chỉnh lại khuơn dạng cần thiết cho mạng mặt đất. Cần lưu ý rằng dịng lưu lượng phía thu khác với dịng này ở phía phát. Số lượng sĩng mang, khối lượng lưu lượng được mang sẽ khác nhau và luồng ghép đầu ra khơng nhất thiết phải mang các kênh điện thoại được mang ở phía phát. Tồn tại nhiều loại trạm mặt đất khác nhau phụ thuộc vào các yêu cầu dịch vụ. Theo nghĩa rộng cĩ thể phân loại lưu lượng thành: tuyến lưu lượng cao, tuyến lưu lượng trung bình và tuyến lưu lượng thấp. Trong kênh tuyến lưu lượng thấp, một kênh phát đáp (36 MHz) cĩ thể mang nhiều sĩng mang và mỗi sĩng mang liên kết với một kênh thoại riêng. Chế độ hoạt động này được gọi là một sĩng mang trên một kênh (SCPC: Single Carrier per Channel). Ngồi ra cịn cĩ chế độ đa truy nhập. Cụ thể về các chế độ này sẽ được xét ở chương các hệ thống thơng tin vệ tinh FDMA và TDMA. Kích thước anten thay đổi từ 3,6 m (11,8ft) đối với các trạm di động trên xe đến 30 m (98,4ft) đối với đầu cuối chính. GVHD:Võ Trường Sơn 29 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Kênh tuyến lưu lượng trung bình cũng đảm bảo đa truy nhập hoặc theo FDMA hoặc theo TDMA. Các chế độ đa truy nhập này cũng được xét trong chương tương ứng. Kích thước anten từ 30 m (89,4ft) cho trạm chính đến 10 m (32,8 ft) cho các trạm xa. Trong hệ thống tuyến lưu lượng cao, mỗi kênh vệ tinh (độ rộng băng tần 36 MHz) cĩ thể mang 960 kênh thoại cho một đường hoặc một kênh TV kết hợp với kênh tiếng. Như vậy kênh phát đáp cho kênh tuyến lưu lượng lớn mang một tín hiệu băng rộng: cĩ thể là TV hay luồng ghép các kênh thoại. Đường kính anten của hệ thống này ít nhất là 30 m (98,4ft) được thiết kế cho trạm mặt đất tiêu chuẩn A của INTELSAT. Các anten lớn này cĩ trọng lương đến 250 tấn vì thế phải cĩ nền đỡ rất chắc chắn và ổn định. Các anten đường kính lớn này đảm bảo các búp sĩng rất hẹp và vì thế phải tránh xê dịch để khơng làm lệch hướng anten. Đối với vùng cĩ băng và tuyết rơi cần cĩ lị sưởi bên trong. Mặc dù các anten này được sử dụng cho các vệ tinh địa tĩnh, nhưng vẫn xẩy ra trơi vệ tinh. Ảnh hưởng này cùng với búp sĩng anten rất hẹp vì thế cần đảm bảo một giới hạn nhất định về độ bám. Điều chỉnh từng nấc theo phương vị và gĩc ngẩng được thực hiện dưới sự điều khiển của máy tính để đạt được tín hiệu thu cực đại. Việc đảm bảo liên tục nguồn nuơi cũng là một vấn đề quan trọng khi thiết kế các trạm mặt đất phát thu. Trừ các trạm nhỏ nhất, cần thể sử dụng nguồn dự phịng từ điện mạng hoặc acquy và các máy phát điện. Nếu điện lưới bị sự cố, các acquy lập tức thay thế. Đồng thời máy nổ được đề và nhanh chĩng thay thế các acqui. 2.1.6. Quỹ đạo vệ tinh Quỹ đạo là một trong những tài nguyên quan trọng cho vệ tinh trong khơng gian. Cĩ nhiều cách khác nhau để phân loại quỹ đạo vệ tinh ( xem hình 2.6) Theo độ cao của những vệ tinh, quỹ đạo vệ tinh cĩ thể được phân loại theo những kiểu sau đây: ─ Quỹ đạo (vệ tinh) thấp (LEO) cĩ một phạm vi độ cao nhỏ hơn 5000 km. Những vệ tinh nằm trong quỹ đạo này được gọi là những vệ tinh LEO. Chu kì của vệ tinh là khoảng 2-4 giờ ─ Quỹ đạo (vệ tinh) trung bình (MEO) cĩ phạm vi độ cao nằm trong khoảng từ 5000-20.000Km .những vệ tinh nằm trong quỹ đạo này gọi là vệ tinh MEO. Chu kỳ của vệ tinh là khoảng 4-12 giờ ─ Quỹ đạo Elip cao (HEO) cĩ độ cao lớn hơn 20.000Km ,những vệ tinh nằm trong quỹ đạo này gọi là vệ tinh HEO,chu kì của vệ tinh lớn hơn 12h ─ GSO (Geostationary Orbit) hay GEO (Geostatinary Earth Orbit): quỹ đạo địa tĩnh GVHD:Võ Trường Sơn 30 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Hình 2.11 Quỹ đạo của vệ tinh 2.1.7. Dải tần số phát của vệ tinh Dải tần số là tài nguyên quan trọng khác của liên kết mạng vệ tinh và cũng là một tài nguyên khan hiếm. Phân bố tần số cho các dịch vụ vệ tinh là một quá trình rất phức tạp địi hỏi sự cộng tác quốc tế và cĩ quy hoạch. Phân bố tần được thực hiện dưới sự bảo trợ của Liên đồn viễn thơng quốc tế (ITU). Để tiện cho việc quy hoạch tần số, tồn thế giới được chia thành ba vùng: Vùng 1: Châu Âu, Châu Phi, Liên xơ cũ và Mơng Cổ Vùng 2: Bắc Mỹ, Nam Mỹ và Đảo Xanh Vùng 3: Châu Á (trừ vùng 1), Úc và Tây nam Thái Bình Dương Trong các vùng này băng tần được phân bổ cho các dịch vụ vệ tinh khác nhau, mặc dù một dịch vụ cĩ thể được cấp phát các băng tần khác nhau ở các vùng khác nhau. Các dịch vụ do vệ tinh cung cấp bao gồm: ─ Các dịch vụ vệ tinh cố định (FSS) ─ Các dịch vụ vệ tinh quảng bá (BSS) ─ Các dịch vụ vệ tinh di động (MSS) ─ Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng ─ Các dịch vụ vệ tinh khí tượng Từng phân loại trên lại được chia thành các phân nhĩm dịch vụ; chẳng hạn dịch vụ vệ tinh cố định cung cấp các đường truyền cho các mạng điện thoại hiện cĩ cũng GVHD:Võ Trường Sơn 31 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! như các tín hiệu truyền hình cho các hãng TV cáp để phân phối trên các hệ thống cáp. Các dịch vụ vệ tinh quảng bá cĩ mục đích chủ yếu phát quảng bá trực tiếp đến gia đình và đơi khi được gọi là vệ tinh quảng bá trực tiếp (DBS:direct broadcast setellite), ở Châu Âu gọi là dịch vụ trực tiếp đến nhà (DTH: direct to home). Các dịch vụ vệ tinh di động bao gồm: di động mặt đất, di động trên biển và di động trên máy bay. Các dịch vụ vệ tinh đạo hàng bao gồm các hệ thống định vị tồn cầu và các vệ tinh cho các dịch vụ khí tượng thường cung cấp cả dịch vụ tìm kiếm và cứu hộ Phạm vi tần số vơ tuyến nằm trong khoảng từ 3 kHz đến 300 GHz, truyền thơng trên 60 GHz nĩi chung khơng thực hiện được vì yêu cầu cơng suất cao và chi phí tốn kém cho thiết bị. Phần băng thơng này được sử dụng cho những mối liên kết truyền thơng sĩng cực ngắn (vi ba) mặt đất và cho truyền thơng di động mặt đất như mạng GSM và 3G và mạng LAN khơng dây ngày nay Ngồi ra, mơi trường truyền dẫn giữa vệ tinh và trạm mặt đất như mưa ,tuyết,khí và các nhân tố khác giới hạn đến cơng suất vệ tinh cũng như băng tần trong quá trình truyền thơng vệ tinh.Hình sau cho ta thấy sự suy hao của các băng tần khác nhau do do mưa, sương mù và khí. Hình 2.12 sự suy hao của các băng tần khác nhau do A:mưa,B:sương mù,C: khí Liên kết cơng suất hạn chế bởi băng thơng và cơng suất truyền được dùng cho truyền dẫn.Dải thơng tần số được cấp phát bởi ITU. Cĩ vài băng tần được cấp phát cho truyền thơng vệ tinh. Bảng 1.1 cho thấy các băng thơng khác nhau dành cho truyền thơng vệ tinh. GVHD:Võ Trường Sơn 32 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Các loại băng tần Giá trị(GHz) VHF 0,1-0,3 UHF 0.3–1.12 L band 1.12–2.6 S band 2.6–3.95 C band 3.95–8.2 X band 8.2–12.4 Ku band 12.4–18 K band 18.0–26.5 Ka band 26.5–40 V 40,0-75 W 75-110 mm 110-300 µm 300-3000 Bảng 2.1 Các loại băng tần của truyền thơng vệ tinh Băng Ku là băng nằm dưới băng K cịn băng Ka là băng nằm trên K. Ku là băng hiện nay được sử dụng cho các vệ tinh quảng bá trực tiếp và nĩ cũng được sử dụng cho một số dịch vụ vệ tinh cố định. Băng C được sử dụng cho các dịch vụ vệ tinh cố định và các dịch vụ quảng bá trực tiếp khơng được sử dụng băng này. Băng VHF được sử dụng cho một số dịch vụ di động và đạo hàng và để truyền số liệu từ các vệ tinh thời tiết. Băng L được sử dụng cho các dịch vụ di động và các hệ thống đạo hàng. Đối với các dịch vụ vệ tinh cố định trong băng C, phần băng được sử dụng rộng rãi nhất là vào khoảng từ 4 đến 6 GHz. Hầu như các tần số cao hơn được sử dụng cho đường lên và thường băng C được ký hiệu là 6/4 GHz trong đĩ con số viết trước là tần số đường lên. Đối với dịch vụ quảng bá trực tiếp trong băng Ku, dải thường được sử dụng là vào khoảng từ 12 đến 14 GHz và được ký hiệu là 14/12 GHz. Mặc dù các ấn định tần số được thực hiện cụ thể hơn và chúng cĩ thể nằm ngồi các giá trị được trích dẫn ở đây (chẳng hạn các ấn định tần số băng Ku cĩ thể là 14,030 GHz và 11,730 GHz), các giá trị gần đúng được đưa ra ở trên hồn tồn thoả mãn cho các tính tốn cĩ liên quan đến tần số GVHD:Võ Trường Sơn 33 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! 2.2. Đặc điểm của mạng vệ tinh Hầu hết hiện nay truyền thơng vệ tinh sử dụng bộ lặp tần số vơ tuyến(RF) hay vệ tinh ”ống cong”.Hoạt động của 1 vệ tinh tối thiểu là khơi phục lại tín hiệu số đã nhận ,nĩ cĩ thể mã hố hoặc giải mã các chuỗi bit , nĩ cũng cĩ thể cĩ một số khối chuyển mạch lớn và đường truyền giữa các vệ tinh(ISL) Đường truyền vơ tuyến (sử dụng sĩng cực ngắn LOS) Cung cấp đường truyền thực cho các bit và byte tại lớp vật lý của mơ hình quy chiếu phân lớp. Cĩ ba vấn đề kỹ thuật cơ bản trong đường truyền vơ tuyến vệ tinh tới vệ tinh được định vị ở khoảng cách rất xa từ những trạm đầu cuối mặt đất . Downlink Typical utilisation in FSS for Denomination Uplink (bandwith) (bandwith) GEO International domestic satellite: 5.540-6.425 6/4C band 3.625-4.2MHz intelsat,USA,canada,china,france (575MHz) Japan, indonesia 7.925-8.425 7.25- 8/7 X band Govermental ,military satellites (500MHz) 7.75(500MHz) International domestic satellite: 10.95-11.2 Intelsat in region 1 and 3 11.45-11.7 Intelsat, Eutelsat, 12.2-12.75 France,German,Spain,Russia (1000MHz) 13-14/11-12 13.75- 10.95-11.2 International domestic satellite Ku band 14.5(750MHz) Intelsat in region 2 11.45-11.7 12.5-12.75 Intelsat, USA,Canada, Spain (700MHz) 17.3- BSS band Feeder link for BSS 18/12 18.1(800MHz) 30/20 27.5-30.0 17.7- International domestic satellite Ka band (2500MHz) 20.2(2500MHz) Intelsat EUROPE,USA,Japan 42.5-45.5 18.2-21.2 40/20 Ka band Govermental ,military satellites (3000MHz) (3000MHz) Bảng 2.2 ví dụ về sử dụng dải băng tần trong GEO GVHD:Võ Trường Sơn 34 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! 2.2.1. Độ trễ truyền sĩng Vấn đề đầu tiên cần giải quyết đĩ là đối với khoảng cách xa. Đối với vệ tinh GEO, thời gian yêu cầu truyền giữa những khoảng cách _ chẳng hạn, từ trạm mặt đất này tới trạm mặt đất khác là 250 ms. Thời gian truyền đi về sẽ là 2 x 250 hay 500 ms.Thời gian truyền sĩng này lớn hơn nhiều so với tiêu chuẩn hệ thống mặt đất . Một trong những vấn đề chính đĩ là thời gian truyền sĩng và kết quả tiếng vọng trên mạch điện thoại. Độ đáp ứng trễ của những mạch dữ liệu nào đĩ cho các hệ thống truyền khối hay gĩi và yêu cầu lựa chọn cẩn thận của hệ thống báo hiệu điện thoại hoặc độ trễ do nối cĩ thể trở nên thừa 2.2.2. Suy hao đường truyền và giới hạn cơng suất Vấn đề thứ hai là với khoảng cách càng xa thì suy hao càng nhiều. Với sĩng ngắn LOS ta cĩ sự suy hao trong khơng gian tự do vào khoảng 145 dB. Trong trường hợp vệ tinh nằm ở độ cao 22 300 miles hoạt động trong tần số 4.2 GHz, thì suy hao trong khơng gian tự do là 196 dB và tại 6 GHz là 199 dB và tại 14 GHz thì suy hao khoảng 207 dB. Vấn đề này hiện nay khơng thể khắc phục được từ trái đất đến vệ tinh,Trong trường hợp này thì việc truyền với cơng suất cao và các anten cĩ độ lợi cao sẽ là một giải pháp tốt Đường truyền từ vệ tinh tới trái đất bị giới hạn cơng suất vì hai lý do sau: ─ Trong băng tần chia sẻ với những dịch vụ tại mặt đất, phổ biến nhất là dải tần 4- GHz, để bảo đảm khơng giao thoa với những dịch vụ khác; Và. ─ Trong bản thân vệ tinh, chúng cĩ thể thu được năng lượng chỉ từ pin mặt trời. Vệ tinh nhận được một nguồn năng lượng rất lớn từ mặt trời để điều chế ra năng lượng cần thiết RF ; như vậy,ở đường truyền xuống, từ vệ tinh đến trái đất, mức tín hiệu nhận được sẽ là thấp hơn nhiều so với trên những đường truyền vơ tuyến tương ứng, và cụ thể là thấp hơn khoảng 150 dBW 2.2.3. Khơng gian quỹ đạo và băng thơng giới hạn đối với vùng bao phủ của vệ tinh Vấn đề thứ ba là sự tập trung nhiều vệ tinh . Quỹ đạo xích đạo của chúng ta bị lấp đầy bởi những vệ tinh địa tĩnh. Giao thoa tần số sĩng vơ tuyến của hệ thống vệ tinh này sang hệ thống vệ tinh khác đang ngày càng gia tăng. Điều này thì càng đúng hơn đối với những hệ thống dùng anten nhỏ tại trạm đất với việc mở rộng độ rộng chùm tia sẵn cĩ của nĩ. Chính điều này làm bùng nổ sự tắc nghẽn tần số từ những trạm phát. 2.2.4. Hoạt động phức tạp của vệ tinh tầm thấp(LEO) Ngồi vệ tinh GEO, chúng ta cũng thấy hoạt động của hệ thống vệ tinh quỹ đạo tầm thấp, nĩ cĩ thể mở ra tiềm năng của những vệ tinh. Những vệ tinh loại này cĩ quỹ đạo cĩ độ cao thấp nhất ở trên trái đất. Chính điều này cĩ thể giảm bớt vấn đề độ GVHD:Võ Trường Sơn 35 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! trễ và suy hao đường truyền , nhưng phát sinh nhiều sự phức tạp hơn trong việc bảo trì những đường truyền dữ liệu giữa những thiết bị đầu cuối mặt đất và vệ tinh vì sự chuyển động nhanh của tập hợp các vệ tinh LEO. CHƯƠNG 3. KHÁI NIỆM MẠNG VÀ QUỸ ĐẠO VỆ TINH 3.1. Các định luật vật lý Cũng như các trạm mặt đất di động cơ sở, hệ thống những thơng tin vệ tinh cũng phải được đặt trên một nền tảng hay kênh truyền. Những định luật vật lý cho phép chúng ta xác định đặt các trạm cơ sở trên bầu trời để hình thành một phần của mạng ở chỗ nào và như thế nào. 3.1.1. Ba định luật vật lý của Kepler a. Định luật Kepler thứ nhất: quỹ đạo vệ tinh Định luật Kepler thứ nhất phát biểu rằng đường chuyển động của một vệ tinh xung quang vật thể sơ cấp sẽ là một hình elip. Một hình elip cĩ hai tiêu điểm F1 và F2 như thấy ở hình 3.1. Tâm khối lượng của hệ thống hai vật thể này được gọi là tâm bary luơn luơn nằm tại một trong hai tiêu điểm. Trong trường hợp được xét do sự khác biệt rất lớn giữa khối lượng của quả đất và vệ tinh, tâm khối lượng trùng với tâm của trái đất và vì thế tâm trái đất luơn nằm trong một tiêu điểm. Trục phụ Trục Tâm chính elip Hình 3.1 Các tiêu điểm F1,F2 bán trục chính a và bán trục phụ b của elip Bán trục chính của Elip được ký hiệu là a và bán trục phụ được ký hiệu là b. Độ lệch tâm e được xác định như sau: a b 2 e= − a Độ lệch tâm (tâm sai) và bán trục chính là hai thơng số để xác định các vệ tinh quay quanh trái đất. 0<e<1 đối với một quỹ đạo vệ tinh. Khi e=0 quỹ đạo trở thành đường trịn. GVHD:Võ Trường Sơn 36 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! b. Định luật Kepler thứ hai: vùng được quét bởi vectơ vệ tinh. Định luật Kepler thứ hai phát biểu rằng trong các khoảng thời gian bằng nhau, vệ tinh sẽ quét các diện tích bằng nhau trong mặt phẳng quỹ đạo của nĩ với tiêu điểm tại tâm bary (hình 3.2) A2 S2 A2 S 2 vệ tinh Hình 3.2 Định luật kepler thứ 2 Từ hình 2.2 ta thấy nêú coi rằng vệ tich chuyển dịch các quãng đường là S1 và S2 mét trong 1 giây thì các diện tích A1 và A2 bằng nhau. Do S1 và S2 là tốc độ bay của vệ tinh nên từ định luật diện tích bằng nhau này, ta rút ra rằng tốc độ S2 thấp hơn tốc độ S1. Từ đây ta suy ra rằng vệ tinh phải mất nhiều thời gian hơn để bay hết một quãng đường cho trước khi nĩ cách xa quả đất hơn. Thuộc tính này được sử dụng để tăng khoảng thời gian mà một vệ tinh cĩ thể nhìn thấy các vùng quy định của quả đất. c. Định luật Kepler thứ ba: chu kỳ quỹ đạo Định luật Kepler thứ ba phát biểu rằng bình phương chu kỳ quỹ đạo tỷ lệ mũ ba với khoảng cách trung bình giữa hai vật thể. Khoảng cách trung bình bằng bán trục chính a. Đối với các vệ tinh nhân tạo bay quanh quả đất, ta cĩ thể trình bày định luật Kepler thứ ba như sau: u 3 A = n trong đĩ n là chuyển động trung bình của vệ tinh đo bằng radian trên giây và μ là hằng số hấp dẫn địa tâm quả đất. Với a đo bằng mét, giá trị này là: GVHD:Võ Trường Sơn 37 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! μ = 3,986005×1014m3/sec2 Phương trình 2.2 chỉ áp dụng cho trường hợp lý tưởng khi một vệ tinh quay quanh một quả đất cầu lý tưởng cĩ khối lượng đồng đều và khơng bị tác động nhiễu chẳng hạn sự kéo trơi của khí quyển. Với n đo bằng radian trên giây, chu kỳ quỹ đạo đo bằng giây được xác định như sau: 2π p= n Ý nghĩa của định luật Kepler thứ ba là nĩ cho thấy quan hệ cố định giữa chu kỳ và kích thước. Một dang quỹ đạo quan trọng là quỹ đạo địa tĩnh chu kỳ của quỹ đạo này được xác định bởi chu kỳ quay của quả đất. Thí dụ dưới đây cho thấy sự xác định bán kính gần đúng của quỹ đạo địa tĩnh. 3.1.2. Ba định luật của Newton về chuyển động và định luật hấp dẫn a. Một vật thể trong trạng thái tĩnh sẽ chỉ chuyển động khi chịu ảnh hưởng của lực. Nĩ sẽ chuyển động mãi theo chiều thẳng với vận tốc khơng đổi (tức là chuyển động thẳng đều) chừng nào khơng cĩ một lực khác tác động vào nĩ và làm thay đổi đường đ b. Khi một lực tác động vào một vật thể, nĩ sẽ thay đổi động năng của vật theo đúng hướng mà nĩ tác dụng. Gia tốc (vận tốc tăng theo thời gian khi vật chuyển động) sẽ tỉ lệ thuận với độ lớn của lực tác động. d 2 r F = m dt 2 Hay F = m.a c. Khi một vật thể tác dụng một lực vào một vật thể khác thì vật bị tác dụng này cũng sẽ tác dụng lại một lực theo chiều ngược lại. FAB = FBA Quan trọng hơn Newton cịn đưa ra chứng minh tốn học về lực hút của trái đất và đã trở thành định luật trọng lực phổ biến: 1 r F = gm m 1 2 r 2 r Vectơ F là vectơ lực của vật m1 tác dụng lên vật m2 theo hướng từ m1 tới m2, g=6,672.10-11m3/kg/s2 là hằng số gia tốc trọng lực , r là khoảng cách giữa 2 vật, và r r là vectơ đơn vị biểu diễn hướng từ m1 đến m2, chúng ta cũng cĩ thể sử dụng cơng GVHD:Võ Trường Sơn 38 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! thức này để biểu diễn lực giữa mặt trời và trái đất bằng cách cho m1 là khối lượng của mặt trời và m2 là khối lượng của trái đất. 3.2. Tham số quỹ đạo của vệ tinh. Để định nghĩa quỹ đạo của một vệ tinh trong khơng gian, yêu cầu tham số quỹ đạo. Hình dạng của một quỹ đạo được mơ tả bởi hai tham số: nửa trục chính (a) và độ lệch tâm (E). vị trí của mặt phẳng quỹ đạo trong khơng gian được xác định bằng những tham số khác: độ nghiêng (i), độ xích kinh của nút ( Ω ) và đối số điểm cận điểm (ϖ ). Nửa trục chính (a) cũng xác định chu kỳ (T) của quỹ đạo vệ tinh mặt đất. 3.2.1. Nửa trục chính (a) Tham số này xác định kích thước của quỹ đạo (Km). Nĩ được định nghĩa là một nửa của trục chính, với chiều dài của dây cung là qua 2 tiêu điểm của quỹ đạo ellipse .Đối với quỹ đạo vịng trịn, nửa trục chính (a) đơn giản đĩ là bán kính của vịng trịn. Hình 2.2 minh họa nửa trục chính và những tham số quỹ đạo khác. 3.2.2. Độ lệch tâm (e) Độ lệch tâm (e) xác định hình dạng của quỹ đạo.Là một hằng số hình học khơng cĩ đơn vị với một giá trị là 0 và 1.Quỹ đạo vịng trịn thuần tuý cĩ độ lệch tâm bằng 0. Những giá trị sau đây của E định nghĩa những kiểu quỹ đạo vệ tinh: ─ Đối với e=0 =>quỹ đạo là hình trịn ─ Đối với e quỹ đạo là ellipse ─ Đối với e=1=> quỹ đạo là parabol ─ Đối với e>1=>Quỹ đạo là hiperbol 3.2.3. Độ nghiêng của quỹ đạo(i) Độ nghiêng (i) xác định độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo đối với mặt phẳng xích đạo trái đất và là một gĩc được đo bằng độ. Nĩ được định nghĩa là 1 gĩc giữa hai mặt phẳng xem hình 2.3. Một quỹ đạo với độ nghiêng bằng 0 được gọi là quỹ đạo xích đạo , quỹ đạo với độ nghiêng bằng 900 được gọi là quỹ đạo cực.Độ nghiêng của quỹ đạo nhỏ hơn 90 độ thì cùng chiều quay với thiên thế chủ và với độ nghiêng (i) nằm trong khoảng 900-1800 thì ngược chiều với thiên thể chủ .Độ nghiêng giới hạn cực đại là 180 độ. Theo gĩc nghiêng (i) của mặt phẳng quỹ đạo, gĩc nghiêng giữa mặt phẳng trái đất và mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh, quỹ đạo vệ tinh trình bày ở hình 2.4 cĩ thể phân loại thành các loại sau: ─ Quỹ đạo xích đạo với điều kiện i=0 chẳng hạn xích đạo trái đấtd ─ Quỹ đạo nghiêng với điều kiện 0<i<900 .Mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xích đạo trái đất nghiêng với nhau 1 gĩc là i ─ Quỹ đạo cực nếu I = 900 . Mặt phẳng quỹ đạo chứa cực của trái đất. GVHD:Võ Trường Sơn 39 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! mặt phẳng quỹ đạo trùng mặt phẳng xích đạo mặt phẳng quỹ đạo nghiêng 1 gĩc i (0<i<900) Hình 3.3 Độ nghiêng của quỹ đạo(i) Quỹ đạo cực Quỹ đạo nghiêng Quỹ đạo xích đạo Hình 3.4 Quỹ đạo cực,nghiêng và xích đạo 3.2.4. Độ xích kinh của điểm (Ω) và đối số cận điểm (ω) Độ xích kinh của điểm (Ω) là việc xác định độ quay của mặt phẳng quỹ đạo, và nĩ là một gĩc được đo bằng độ. Nĩ được định nghĩa là một gĩc trong mặt phẳng xích đạo , là gĩc giao của 2 đường thẳng nằm trong mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng quỹ đạo xem Hình 3.5 GVHD:Võ Trường Sơn 40 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Hình 3.5 Độ xích kinh của điểm(0 ≤ Ω ≤ 360) Hình 3.6 Đối số cận điểm(0 ≤ Ω ≤ 360) Đối số cận điểm (ω) xác định độ quay của cận điểm trên mặt phẳng quỹ đạo xem hình 3.6 và đơn vị được tính bằng độ 3.3. Quỹ đạo hữu ích Theo định luật Kepler thứ 3, chu kì quay của quỹ đạo vệ tinh là tỷ lệ với khoảng cách từ nĩ đến trái đất.Những vệ tinh nằm trong quỹ đạo thấp, độ cao của nĩ nằm khoảng vài trăm tới một nghìn Km cĩ chu kỳ quỹ đạo nhỏ hơn 2 giờ, từ đĩ ta thấy rằng mặt trăng cĩ độ cao 380.000Km và chu kỳ quay của nĩ khoảng 27 ngày đây chính là cơ sở tính tốn lịch của người Trung Quốc và trái đất cĩ chu kỳ quỹ đạo khoảng 365 ngày đây là cơ sở tính tốn 1 năm. 3.3.1. Quỹ đạo địa tĩnh trái đất Quỹ đạo địa tĩnh là quỹ đạo trịn ngay phía trên xích đạo Trái Đất (vĩ độ 0º). Bất kỳ điểm nào trên mặt phẳng xích đạo đều quay trịn xung quanh Trái Đất theo cùng một hướng và với cùng một chu kỳ (vận tốc gĩc) giống như sự tự quay của Trái Đất. Nĩ là trường hợp đặc biệt của quỹ đạo địa đồng bộ, và là quỹ đạo được những người khai thác hoạt động của vệ tinh nhân tạo ưa thích (bao gồm các vệ tinh viễn thơng và truyền hình). Các vị trí vệ tinh chỉ cĩ thể khác nhau theo kinh độ. Các quỹ đạo địa tĩnh là hữu ích do chúng làm cho vệ tinh dường như là tĩnh đối với điểm cố định nào đĩ trên Trái Đất. Kết quả là các ăng ten cĩ thể hướng tới theo một phương cố định mà vẫn duy trì được kết nối với vệ tinh. Vệ tinh quay trên quỹ đạo theo hướng tự quay của Trái Đất ở độ cao khoảng 35.786 km (22.240 dặm) phía trên mặt đất. Độ cao này là đáng chú ý do nĩ tạo ra chu kỳ quỹ đạo bằng với chu kỳ tự quay của Trái Đất, cịn được biết đến như là ngày thiên văn Nếu mặt phẳng quỹ đạo của một vệ tinh khơng trùng với mặt phẳng xích đạo của trái đất, thì quỹ đạo đĩ được gọi là nghiêng, và gĩc giữa mặt phẳng quỹ đạo và mặt phẳng xích đạo được gọi là gĩc nghiêng. GVHD:Võ Trường Sơn 41 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Độ trễ lan truyền giữa trạm mặt đất và vệ tinh vào khoảng 0.125ms, một nhược điểm lớn của quỹ đạo địa tĩnh là lực hút của mặt trăng và mặt trời ảnh hưởng đến quỹ đạo làm cho độ nghiêng quỹ đạo ngày càng tăng ,sức đẩy của vệ tinh cĩ thể làm giảm sự xáo trộn này,nhưng kể từ khi vệ tinh chỉ cĩ thể mang số lượng nhiên liệu giới hạn thì việc gia tăng độ nghiêng của quỹ đạo là một vấn đề cần được lưu tâm đến trong một số dự án. Dung lượng hạn chế của quỹ đạo địa tĩnh là một nhược điểm khác ,các vệ tinh sử dụng cùng tần số phải được tách biệt với nhau nhằm tránh ảnh hưởng lẫn nhau. Để bao phủ ở độ cao lớn (lớn hơn 750) là khơng khả quan vì vậy để bao phủ tồn bộ trái đất khơng thể thực hiện được với 1 chịm điểm địa tĩnh mà theo tính tốn để cĩ thể bao phủ được tồn bộ trái đất cần 3 chịm điểm địa tĩnh. 3.3.2. Quỹ đạo ellipse cao Quỹ đạo hình ellipse cao (HEO) khác với những quỹ đạo vịng trịn. Nĩ chỉ cĩ thể phủ sĩng khi vệ tinh chuyển động rất chậm so với bề mặt trái đất điều đĩ cĩ nghĩa là khi nĩ nằm tại viễn điểm, điểm xa nhất so với bề mặt trái đất . Hình 3.7 minh họa một quỹ đạo ellipse tiêu biểu: Những quỹ đạo này nĩi chung nghiêng một gĩc 63.40 vì vậy quỹ đạo này gần như đứng yên so đối với bề mặt của trái đất. Độ nghiêng này cao cho phép bề rộng bao phủ cao và Nga đã sử dụng những quỹ đạo ellipse Molnya và Tundra cho truyền hình vệ tinh tới những vùng cao của Nga rất tốt. Những quỹ đạo ellipse là một ngoại lệ so với nguyên tắc chung, nĩi chung nĩ chỉ nhắm tới cung cấp cĩ chọn lọc hơn là phạm vi chung tồn thế giới. GVHD:Võ Trường Sơn 42 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Vệ tinh di chuyển chậm Quỹ đạo Ellipse nhất tại điểm này Quỹ đạo địa tĩnh Vệ tinh di chuyển nhanh nhất tại điểm này a) b) Hình 3.7 Quỹ đạo ellipse cao 3.3.3. Quỹ đạo thấp (LEO) Vệ tinh LEO di chuyển nhanh hơn vịng quay của trái đất, vì vậy chúng xuất hiện 1 cách liên tục trong vịng quay của trái đất. Hình 3.8 minh hoạ quỹ đạo và vùng phủ sĩng của vệ tinh LEO. Chịm vệ tinh là số lượng vệ tinh cần thiết để bao phủ hết tồn bộ trái đất Mặt phẳng quỹ đạo vệ tinh và điểm trên quỹ đạo cĩ thể xác định vị trí của vệ tinh. Đối với chịm vệ tinh, cĩ các kí hiệu và quy tắc đơn giản để miêu tả vùng bao phủ trái đất. cĩ 2 dạng kí hiệu được dùng để mơ tả chịm vệ tinh đĩ là: ─ Kí hiệu Walker (N/P/p): kí hiệu này chỉ: (số lượng vệ tinh trên mỗi mặt phẳng /số mặt phẳng/số pha riêng biệt của mặt phẳng để điều khiển). ─ Kí hiệu Ballard (NP,P,m): kí hiệu này chỉ (tổng số vệ tinh NP ,số mặt phẳng P, hệ số điều hồ m mơ tả sự dịch pha giữa các mặt phẳng) GVHD:Võ Trường Sơn 43 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Hình 3.8 Đường di chuyển của vệ tinh LEO 3.3.4. Các lực gây nhiễu quỹ đạo. Cĩ nhiều tác động phụ gây ra nhiễu quỹ đạo vệ tinh trái đất. Một số nhân tố gây nhiễu quỹ đạo : • Ảnh hưởng của trái đất khơng phải hình cầu. Đối với một mặt đất hình cầu, định luật Kepler thứ ba xác định chuyển động trung bình như sau: μ n0= a 3 Chỉ số 0 để biểu thị rẳng kết quả được áp dụng cho trái đất cầu cĩ khối lượng đồng đều lý tưởng. Tuy nhiên ta biết rằng trái đất khơng hồn tồn hình cầu, xích đạo hơi phình ra cịn cực thì hơi dẹt vào và vì thế nĩ cĩ dạng hình cầu dẹt. Khi xét đến đặc điểm này của trái đất, chuyển động trung bình bị thay đổi và được xác định theo cơng thức sau: ⎡ 2 ⎤ 1 + K1 (1 −1.5sin i) n=n0 ⎢ ⎥ (a) 2 1.5 ⎣⎢ a ()1 − e ⎦⎥ 2 trong đĩ hằng số K1 = 66063,1704 km . Sự dẹt của quả đất gần như khơng ảnh hưởng lên bán trục chính a và nếu biết được a ta dễ dàng tính được chuyển động trung bình. Chu kỳ quỹ đạo khi cĩ xét đến tính dẹt của trái đất được gọi là chu kỳ dị thường (từ cận điểm đến cận điểm). Chuyển dộng trung bình được đặc tả trong cơng bố của NASA là nghịch đảo của chu kỳ dị thường. Chu kỳ dị thường được xác định như sau: 2π pA= sec n trong đĩ n đo bằng được đo bằng radian trên giây. GVHD:Võ Trường Sơn 44 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Nếu ta biết được n (như cho ở thơng báo của NASA) ta cĩ thể giải phương trình (a) với lưu ý rằng n0 cũng phụ thuộc vào a. Ta cĩ thể giải phương trình (a) để tìm a bằng cách tìm nghiệm của phương trình sau: ⎡ 2 ⎤ μ K1 (1 −1.5sin i) n- 3 ⎢1 + ⎥ = 0 a 2 1.5 ⎣⎢ a ()1 − e ⎦⎥ Sự dẹt của quả đất gây ra hai sự quay của mặt phẳng quỹ đạo. Quay thứ nhất được gọi là sự dịch lùi (regression of nodes) các nút, trong đĩ dường như các nút trượt dọc xích đạo. Kết quả là đường các điểm nút trong mặt xích đạo bị quay xung quanh tâm trái đất. Như vậy gĩc lên đúng nút lên Ω bị dịch. Nếu quỹ đạo là đồng hướng thì các nút trượt sang tây và nếu quỹ đạo là ngược hướng thì chúng trượt sang đơng. Nếu nhìn từ nút lên, vệ tinh trong quỹ đạo đồng hướng bay sang đơng và trong quỹ đạo ngựơc hướng bay sang tây. Như vậy các nút di chuyển ngược chiều chuyển động vệ tinh, vì thế ta cĩ thuật ngữ dịch lùi. Đối với quỹ đạo cực (i=900) dịch lùi bằng khơng. Ảnh hưởng thứ hai là sự quay của đường giữa các điểm cực trong mặt phẳng quỹ đạo dưới đây ta sẽ xét ảnh hưởng này. Cả hai ảnh hưởng đều phụ thuộc vào chuyển động trung bình n,bán trục chính a và độ lệch tâm e. Các thơng số này được nhĩm chung và một hệ số K xác định như sau: nK1 K= 2 a 2 ()1 − e 2 K sẽ cĩ cùng đơn vị như n. Vậy với n đo bằng rad/ngày, K sẽ đo bằng rad/ngày và với n đo bằng 0/ngày K cũng đo bằng 0/ngày. Biểu thức gần đúng cho sự thay đổi Ω theo thời gian được xác định như sau: dΩ = −K cosi (b) dt trong đĩ i là gĩc nghiêng Tốc độ dịch lùi các nút sẽ cĩ cùng đơn vị như n. Khi tốc độ thay đổi xác định theo phương trình (b) cĩ giá trị âm, dịch lùi về phía tây cịn khi tốc độ này dương dịch lùi về phía đơng. Vì thế đối với dịch lùi về phía đơng, i phải lớn hơn 900 hay quỹ đạo phải ngược hướng. Ta cĩ thể chọn giá trị a, e và i sao cho tốc độ quay là 0,98560/ngày về phía đơng. Quỹ đạo này được gọi là quỹ đạo đồng bộ mặt trời. Một trong số các ảnh hưởng gây ra do sự phình xích đạo là sự quay đường các điểm cực, dẫn đến sự thay đổi agumen cận điểm xác định theo cơng thức sau: dω = K(2 − 2.5sin 2 i) (c) dt ở đây đơn vị cho tốc độ quay của đường các điểm cực cũng là đơn vị cho n GVHD:Võ Trường Sơn 45 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Khi gĩc nghiêng i bằng 63,4350; thành phần trong ngoặc bằng khơng và sẽ khơng xảy ra quay. Gĩc nghiêng này được lựa chọn cho quỹ đạo vệ tinh Molnya của Nga. Nếu ta ký hiệu thời gian kỷ nguyên là t0, gĩc lên đúng của nút lên là Ω 0 và agumen cận điểm là ω0 tại kỷ nguyên, ta được các giá trị mới cho Ω và ω tại t như sau: dΩ Ω = Ω (t − t ) 0 dt 0 dω ω = Ω (t − t ) 0 dt 0 Cần nhớ rằng quỹ đạo khơng phải là một thực thể vật lý và chính các lực do quả đất dẹt gây ra tác dụng lên vệ tinh làm thay đổi các thơng số quỹ đạo. Vậy khác với việc bay theo một quỹ đạo elip khép kín trong một mặt phẳng cố định, vệ tinh bị trơi do dịch lùi các điểm nút và vĩ độ của điểm gần nhất (cận điểm) thay đổi do sự quay của đường các điểm cực. Hiểu được điều này cho phép ta nhìn nhận vệ tinh bay theo một quỹ đạo elip khép kín nhưng với quỹ đạo chuyển động tương đối so với mặt đất do sự thay đổi của Ω và ω. Như đã nĩi ở trên, chu kỳ PA là thời gian cần thiết để vệ tinh bay từ cận điểm đến cận điểm mặc dù cận điểm đã dịch chuyển so với quả đất. Để làm thí dụ, giả thiết rằng gĩc nghiêng bằng 900 sao cho dịch lùi các nút bằng khơng (từ phương trình b) và tốc độ quay của đường các điểm cực là -K/2 (từ phương trình c) ngồi ra xét trường hợp cận điểm tại thời điểm quan trắc ban đầu nằm ngay trên nút lên. Một chu kỳ sau, cận điểm sẽ ở gĩc -KPA/2 so với nút lên hay nĩi một cách khác nĩ sẽ ở phía Nam so với xích đạo. Thời gian giữa hai lần đi qua nút lên sẽ là PA(1+K/2n), đây sẽ là chu kỳ được quan sát từ trái đất. Nhắc lại rằng K sẽ cĩ cùng đơn vị như n, nghĩa là radian trên giây. Ngồi việc phình ra của xích đạo, trong mặt phẳng xích đạo trái đất khơng hồn tồn là hình trịn, nĩ cĩ một độ lệch tâm rất nhỏ bậc 10-5. Độ lệch này được gọi là tính elip xích đạo (equatorial ellipcity). Ảnh hưởng của tính elip xích đạo là nĩ sẽ tạo ra một gradien hấp dẫn gây ảnh hưởng đáng kể lên các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh. Nĩi một các ngắn gọn, lý tưởng vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh phải cố định so với trái đất. Gradien hấp dẫn gây ra do tính elip xích đạo sẽ làm cho các vệ tinh trên quỹ đạo địa tĩnh trơi đến một điểm ổn định, điểm này trùng với trục phụ của elip xích đạo. Hai điểm này phân cách nhau bởi một gĩc 1800 trên xích đạo nằm vào khoảng kinh độ 750E và 1050W. Để tránh cho các vệ tinh đang phục vụ bị trơi các thao tác giữ trạm được thực hiện (Station Keeping Maneuvers). Vì các vệ tinh cũ dần dần bị trơi vào các điểm này nên chúng được gọi là "nghĩa trang vệ tinh". Lưu ý rằng ảnh hưởng tính elip xích đạo là khơng đáng kể đối với hầu hết các quỹ đạo vệ tinh khác. • Sự kéo khí quyển GVHD:Võ Trường Sơn 46 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Đối với các vệ tinh nằm gần trái đất thì ảnh hưởng của sự kéo khí quyển (Atmospheric Drag) là đáng kể . Do lực kéo lớn nhất tại cận điểm và sự kéo này làm giảm tốc độ của vệ tinh tại điểm này nên vệ tinh khơng đạt đến cùng độ cao viễn điểm ở các vùng tiếp theo. Kết quả là bán trục chính và độ lệch tâm giảm. Sự kéo hầu như khơng thay đổi các thơng số khác của quỹ đạo bao gồm cả độ cao cận điểm. Biểu thức gần đúng để xác định sự thay đổi bán trục chính như sau: 2 ⎡ ⎤ 3 n0 a=a 0 ⎢ ' ⎥ ⎣⎢n0 + n 0 (t − t0) ⎦⎥ Độ dị thường trung bình cũng thay đổi biểu thức gần đúng xác định sự thay đổi này như sau : n ' δ = 0 (t − t ) 2 2 0 Số vệ tinh: 25338 Năm kỷ nguyên (hai chữ số cuối cùng của năm): 00 Ngày kỷ nguyên (ngày và ngày phân đoạn của năm): 223,79688452 Đạo hàm thời gian bậc nhất của chuyển động trung bình(vịng quay trung bình/ngày2): 0,000000307 Gĩc nghiêng (độ): 98,6328 Gĩc lên đúng của nút lên (độ): 251,5324 Độ lệch tâm: 0,0011501 Agumen cận điểm (độ) : 113,5534 Độ dị thường trung bình (độ): 246,6853 Chuyển động trung bình (vịng/ngày): 14,23304826 Số vịng quay tại kỷ nguyên (vịng quay/ngày): 11663 Từ bảng trên ta thấy đạo hàm theo thời gian bậc nhất của chuyển động trung bình (n0') là một số rất nhỏ bằng 0,00000307 vịng/ngày. Như vậy sự thay đổi gây ra do sự kéo chỉ đáng kể đối với khoảng thời gian dài và vì thế đối với mục đích hiện thời ta cĩ thể bỏ qua nĩ. • Ảnh hưởng của mặt trăng và mặt trời Lực hấp dẫn chính là ảnh hưởng lớn nhất của mặt trăng và mặt trời lên vệ tinh trái đất bên cạnh những chức năng của chính nĩ. • Áp suất bức xạ mặt trời Áp suất bức xạ mặt trời chính là nguyên nhân gây ra những sự chạm giữa vệ tinh và những phơtơn bức xạ từ Mặt trời, mà chúng hút được hay phản xạ. GVHD:Võ Trường Sơn 47 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! 3.3.5. Độ cao của quỹ đạo và vùng bao phủ Độ cao của vệ tinh càng cao thì vùng bao phủ càng lớn đồng nghĩa với việc đĩ thì khoảng cách càng xa thì địi hỏi cơng suất truyền càng lớn Hình 3.9 sẽ minh hoạ mối liên hệ đơn giản này: Hình 3.9 Mối liên hệ giữa độ cao và vùng bao phủ Từ đây ta cĩ thể thấy được vệ tinh GEO cĩ độ cao cao nhất nên cĩ vùng bao phủ rộng nhất, vệ tinh LEO cĩ độ cao thấp nhất nên cĩ vùng bao là nhỏ nhất và vệ tinh MEO nằm ở giữa. Vệ tinh GEO cĩ vùng bao phủ là cố định và liên tục, nhưng vệ tinh LEO và MEO sẽ dần dần di chuyển ra xa khỏi vùng bao phủ. Điều này đã chứng minh rằng vệ tinh LEO và MEO thuận lợi trong việc cung cấp cho thiết bị đầu cuối nhỏ và thấp của hệ thống vệ tinh nhưng điều này cũng làm xuất hiện chi phí cao trong việc phát triển và vận hành. Tuy nhiên những nghiên cứu và phát triển của những chịm vệ tinh trong năm gần đây đã đạt được tiến bộ vượt bậc trong khía cạnh kỹ thuật, kinh tế . Sẽ phải mất một thời gian để cĩ thể khai thác đầy đủ lợi ích của chịm sao bằng việc giảm giá thành của hệ thống để tăng thêm doanh thu từ các dịch vụ và ứng dụng mới. Nối mạng vệ tinh sẽ cung cấp vùng phủ sĩng cho trái đất, đặc biệt là những vùng bên ngồi phạm vi phủ sĩng của mạng mặt đất. Bởi vậy, trong mục này chúng ta cần phải lấy quan điểm trái đất là trung tâm để xem xét mối quan hệ giữa nối mạng vệ tinh và trái đất 3.3.6. Độ lợi của anten và độ rộng của chùm tia Trong thơng tin vơ tuyến, anten là một phần rất quan trọng của liên kết truyền dẫn. Nĩ giúp tập trung năng lượng bức xạ về phía anten thu, nhưng thiết bị thu nhận chỉ nhận được một phần cơng suất. Hầu hết cơng suất trải đều lên trên một vùng rộng. GVHD:Võ Trường Sơn 48 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! Hình 3.10 minh họa một đồ thị bức xạ anten tiêu biểu được xác định bởi kích thước của anten và tần số truyền được dùng. Độ tăng ích cực đại của anten được biểu thị như sau: ⎛ 4π ⎞ G=⎜ ⎟ηA ⎝ λ2 ⎠ c Trong đĩ λ = và vận tốc của ánh sáng là 3.108m/s và f là tần số sĩng điện từ , f diện tích anten là A=πD 2 với D là đường kính Theo phương của θq ,giá trị của độ lợi là: (tương đối đối với anten đẳng hướng) G(θ)dB = G −12(θ −θ ) i max,dBi 3dB Độ rộng chùm tia của đồ thị bức xạ là: λ c θ = 70 = 70 3dB D fD Hình 3.10 Đồ thị đẳng hướng của anten 3.3.7. Tính tốn vùng bao phủ Độ cao của vệ tinh xác định vùng bao phủ của anten trái đất và khoảng cách của trạm mặt đất từ mép vùng bao phủ đến vệ tinh: GVHD:Võ Trường Sơn 49 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! β RE β α θ RE Hình 3.11 Mối quan hệ giữa gĩc ngẩng và độ cao Trong hình 3.11 OPS là tam giác vuơng gĩc, ta cĩ thể tính tốn như sau: S p = (hE + RE )sinα (a) O p = (hE + RE ) cosα Ap = Sp tanβ (b) Như vậy ta cũng cĩ Ap=ASsin β với phương trình (a) và (b) ta cĩ được: tan β sinα AS = S = (h + R ) p sin β E E cos β Đối với trường hợp đặc biệt khi β = 0 ,AS=(hE + RE)sinα ta cũng cĩ thể tính 2 RE 2 ⎛ 1 − RE ⎞ cosα = sau đĩ tính sin a = (1 − cos a) = ⎜ ⎟ vì vậy hE + RE ⎝ hE + RE ⎠ 2 2 2 (AS) = (hE+RE) - RE (c) Ta cĩ thể tính trực tiếp ,OAS trở thành tam giác vuơng khi β = 0 2 2 2 (AS) + RE = (hE + RE) Từ cơng thức này đưa đến kết quả giống như cơng thức (c). Vùng bao phủ cực đại cĩ thể tính như sau: ⎛ 1 − R ⎞ 2 ⎜ E ⎟ Vùng bao phủ = 2πRE H = 2πRE ⎜ ⎟ ⎝ hE + RE ⎠ 3.3.8. Khoảng cách và độ trễ lan truyền từ trạm mặt đất đến vệ tinh Hai gĩc được dùng để định vị vệ tinh từ bất kỳ điểm nào trên bề mặt của trái đất. GVHD:Võ Trường Sơn 50 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! ─ Gĩc ngẩng ( β ): Gĩc ngẩng là gĩc giữa 1 điểm được xem xét là ở vơ cùng và vệ tinh, được đo trong mặt phẳng chứa điểm được xét là vệ tinh và trung tâm của trái đất. ─ Gĩc phương vị(α ):Gĩc phương vị là gĩc được đo trong mặt phẳng ngang được xác định là gĩc giữa hướng bắc địa lý và giao của mặt phẳng chứa điểm được xem xét, vệ tinh và trung tâm của trái đất N sattelite R P T θ ϕ O l h ξ A R E L B Hình 3.12 Khoảng cách giữa trạm mặt đất và vệ tinh Khoảng cách từ trung tâm trái đất tới vệ tinh là : r = h + RE Khoảng cách giữa trung tâm trái đất và vệ tinh cĩ thể tính như sau: 2 2 2 R = RE + r − 2RE r cosθ R cosθ − E tan β = r sinθ sin L cosϕ sinα = sinθ với cosθ = cos L cosϕ cosl = sinϕ sin l cho GEO ta cĩ ϕ = 0 thì cosϕ =1 và sinϕ = 0 Độ trễ do truyền từ trạm mặt đất đến vệ tinh cĩ thể tính như sau: R T = P c với C là vận tốc ánh sáng và bằng 3.108m/s vì vậy độ trễ truyền theo 1 hướng từ một trạm này đến trạm khác là: R + R T = 1 2 P c với R1 và R2 là khoảng cách giữa trạm mặt đất và vệ tinh GVHD:Võ Trường Sơn 51 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! 3.4. Đặc điểm liên kết vệ tinh và điều chế cho truyền dẫn Thành phần tín hiệu truyền dẫn cơ bản bao gồm sĩng mang và tín hiệu điều chế. Sĩng mang là một sĩng hình sin liên tục, khơng chứa đựng thơng tin. Tín hiệu điều chế là tín hiệu mang thơng tin và sẽ được truyền qua sĩng mang. Nĩ cĩ thể điều chế (thay đổi) Biên độ, tần số hay pha của sĩng mang dẫn tới những sơ đồ điều chế khác nhau: điều chế biên độ(AM), điều chế tần số(FM) và điều chế pha (PM). Tại đầu thu bộ giải điều chế cĩ thể tách tín hiệu mang thơng tin ra từ sĩng mang bằng cách xử lý giải điều chế và điều này phụ thuộc vào sơ đồ mã hố được sử dụng trong quá trình truyền, hình 3.13 minh hoạ các quá trình điều chế khác nhau . Quá trình điều chế cho phép truyền các tín hiệu mang thơng tin trên các tần số mang , người ta cĩ thể sử dụng phương pháp đa truy nhập tới tần số vơ tuyền trong miền tần số. Bên cạnh tín hiệu điều chế, những điều kiện kênh truyền vệ tinh cũng cĩ thể gây ra những sự thay đổi tới biên độ, tần số hay pha của sĩng mang vì vậy nĩ cĩ thể là nguyên nhân gây ra lỗi truyền dẫn do đĩ cần phải cĩ những mã sửa lỗi để khơi phục lại nội dung cĩ thể bị sai trong quá trình truyền dẫn. 3.4.1. Đặc điểm liên kết vệ tinh Khơng giống với truyền bằng cáp, chất lượng của liên lạc vệ tinh khơng thể điều khiển. Liên lạc vệ tinh cĩ thể là nguyên nhân gây ra suy hao truyền sĩng ,điều này phụ thuộc vào những nhân tố sau đây: ─ Tần số làm việc: suy hao của tín hiệu bởi sự hấp thụ khí, sự khắc nghiệt của tầng đối lưu càng làm tăng độ suy hao đối với tần số. ─ Gĩc ngẩng của Anten và sự phân cực: chiều dài của đường truyền sĩng qua tầng đối lưu biến đổi tỷ lệ nghịch với gĩc ngẩng. Tương ứng, suy hao truyền dẫn, tiếng ồn cũng tăng khi gĩc ngẩng giảm. ─ Độ cao của trạm mặt đất:đường truyền giữa trạm mặt đất và vệ tinh sẽ ngắn hơn nếu chiều cao của trạm mặt đất càng cao , do đĩ sẽ càng ít suy hao hơn ─ Nhiệt độ tạp âm trạm mặt đất: đây là mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ tạp âm khí quyển tới nhiệt độ tạp âm hệ thống vì vậy ảnh hưởng của tạp âm khí quyển lên đường xuống gọi là tỷ số tín hiệu/nhiễu. ─ Vị trí địa lý :Lượng mưa và thời tiết gần trạm mặt đất là những nhân tố ban đầu trong việc xác định tần số và suy hao đường truyền. G ─ Hệ số phẩm chất :hệ số tăng ích biểu thị hiệu suất của đầu thu G; G T là thành phần khuếch đại tính bằng dexiben (dB) và T là nhiệt độ tạp âm của hệ thống. Tỷ số này dùng để biểu thị chất lượng của trạm mặt đất cịn gọi là hệ số phẩm chất trạm mặt đất. Suy hao trong khơng gian tự do là suy hao cơng suất chính do truyền lan xa của liên kết vệ tinh. Tuy nhiên đĩ là suy hao lớn hơn so với mọi suy hao khác, những suy hao khác cũng chỉ thêm vào suy hao chính vài dB. Tại những tần số 10 GHz và lớn GVHD:Võ Trường Sơn 52 SVTH: Vũ Văn Trực
Simpo!!K PDFĐồ án Merge tốt nghiệp and Split Unregistered Version Liên kết- mạng IP qua hệ thống vệ tinh thế hệ sauK! hơn, suy hao vì sự hấp thụ khí quyển và mưa đặc biệt rất đáng quan tâm. Tại những tần số này, sĩng điện từ tương tác và va dội với những phân tử khí của khí quyển nên gây ra suy hao tín hiệu. Quan trọng nhất là cộng hưởng suy hao xuất hiện tại tần số 22,235 GHz do sự bốc hơi nước và giữa tần số 53-65 GHz là khí oxy . Suy hao tại những tần số khác thơng thường rất nhỏ (nhỏ hơn 1 dB). Những suy hao khí quyển này cĩ thể được tính tốn và cả trong phương trình liên kết để xác định tác động của nĩ trên tồn bộ chất lượng của hệ thống. Tại những tần số thấp hơn , nhỏ hơn 1 GHz,suy hao do fading đa đường cĩ khả năng xảy ra cao nhất. Sự quay Faraday do tổng số lượng điện tích trong khí quyển trở nên đáng kể hơn, nhưng với việc sử dụng sự phân cực thích hợp, những suy hao này cĩ thể kiểm sốt trong truyền thơng. 3.4.2. Kỹ thuật điều chế Ta cĩ thể mơ tả tốn học sĩng mang như sau: Cr (t) = Ac cos(2πf c t) Trong đĩ Ac là biên độ sĩng mang và fc là tần số sĩng mang • Ta cĩ thể biểu diễn sĩng được điều biên như sau: S(t) = [Ac + k a m(t)]cos(2πf c t) Trong đĩ m(t) là tín hiệu và ka là độ nhạy biên của bộ điều chế • Ta cĩ thể biểu diễn sĩng được điều tần như sau: S(t) = Ac cos[2π ( f c + k f m(t))t] Trong đĩ fc là độ nhạy tần số của bộ điều chế • Ta cĩ thể biểu diễn sĩng được điều pha như sau: S(t) = Ac cos[2πftc + k p m(t)] Trong đĩ kp là độ nhạy tần của bộ điều chế Trong sĩng được điều tần đặt θ f (t) = 2π ( f c + k f m(t))t cĩ thể xem m(t) là nguyên nhân gây ra sự thay đổi tần số Δf = k f m(t)Δt , mà nĩ tương đương với sự thay đổi pha Δθ f = ( f c + Δf )Δt = 2π[ f c + k f m(t)]Δt do đĩ: dθ (t) t f = 2πf + 2πk m(t) θ (t) = 2πf t + 2πk m(t)dt c f và f c f ∫ dt 0 Sĩng được điều tần được tạo ra bằng cách sử dụng tần số mang kết hợp với tín hiệu mang thơng tin Trong sĩng được điều pha θ p (t) = 2πf ct + k p m(t) ví dụ sĩng điều pha được tạo ra bằng cách sử dụng tần số mang và tín hiệu thơng tin vì vậy sĩng điều pha cĩ thể suy ra từ sĩng điều tần và ngược lại. điều pha và điều tần cũng cĩ thể gọi là điều chế gĩc. GVHD:Võ Trường Sơn 53 SVTH: Vũ Văn Trực