Tính toán tuyến truyền dẫn hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh

- HOÀNG ANH TUẤN TÍNH TOÁN TUYẾN TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG THễNG TIN VỆ TINH ĐỊA TĨNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT QUẢN TRỊ KINH DOANH Hà Nội – 2005 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- HOÀNG ANH TUẤN TÍNH TOÁN TUYẾN TRUYỀN DẪN HỆ THỐNG THễNG TIN VỆ TINH ĐỊA TĨNH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT QUẢN TRỊ KINH DOANH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- TRẦN ĐỨC HÂN Hà Nội - 2005 Mục lục mục lục danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt danh mục các bảng danh mục các hình vẽ, đồ thị lời nói đầu Ch-ơng 1: Công nghệ thông tin vệ tinh 1.1.
- Những đặc điểm của thông tin vệ tinh.
- Các ứng dụng của thông tin vệ tinh.
- Lịch sử và xu h-ớng phát triển của kỹ thuật thông tin vệ tinh.
- Các dạng quĩ đạo vệ tinh.
- Phân hệ thông tin của vệ tinh.
- Phần mặt đất.
- phân cực của sóng mang trên tuyến thông tin vệ tinh.
- các dải tần số sử dụng trong thông tin vệ tinh.
- các kỹ thuật điều chế và giải điều chế tín hiệu.
- Kỹ thuật điều chế tần số.
- Kỹ thuật giải điều chế sóng mang FM.
- Kỹ thuật giải điều chế sóng mang PSK.
- các kỹ thuật đa truy nhập.
- Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số.
- Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian.
- Kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã.
- 52 Ch-ơng 2: các yếu tố truyền dẫn trong thông tin vệ tinh 2.1.
- 71 Ch-ơng 3: Kỹ thuật trạm mặt đất 3.1.
- Anten của trạm mặt đất.
- 88 Ch-ơng 4: tính toán tuyến truyền dẫn hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh 4.1.
- một số khái niệm cơ bản của tuyến truyền dẫn thông tin vệ tinh.
- phân tích đ-ờng truyền tuyến thông tin vệ tinh địa tĩnh.
- 116 1 Lời nói đầu Chỉ với lịch sử hơn 40 năm ra đời và phát triển trong diễn biến nhanh nh- vũ bão của cuộc cách mạng công nghệ Viễn thông, thông tin Vệ tinh ngày nay đã trở nên quá quen thuộc trên phạm vi toàn cầu, trong đó có cả Việt Nam.
- Từ lúc khái niệm về thông tin vệ tinh còn mới mẻ và th-ờng đ-ợc hiểu nh- là một phần trong nền công nghiệp vũ trụ của một hay một số nhóm các quốc gia phát triển, cho đến nay thậm chí một vệ tinh có thể là sở hữu của chỉ với một vài nhà chơi vô tuyến điện nghiệp d- mà thôi.
- Trong bố cảnh vừa cạnh tranh khốc liệt vừa kế thừa những thành tựu v-ợt bậc với các ph-ơng thức truyền dẫn khác (điển hình là cáp sợi quang), thông tin vệ tinh ngày nay vẫn giữ vai trò quan trọng trong lĩnh vực truyền thông, đặc biệt tính quảng bá của nó đã và đang đảm nhiệm với một tỷ trọng không nhỏ, việc chuyển tải nhiều loại hình dịch vụ từ mạng viễn thông quốc tế cho tới tận từng hộ gia đình.
- Tiến trình áp dụng công nghệ thông tin vệ tinh vào mạng Viễn thông n-ớc ta đ-ợc mở đầu từ năm 1980 đến nay đã là một yếu tố góp phần đem lại sự phồn vinh của ngành B-u điện Việt Nam nói riêng và nền kinh tế quốc dân nói chung trong 20 năm qua.
- Bên cạnh những nỗ lực tìm kiếm các giải pháp cho một cấu hình, dung l-ợng, nhà chế tạo và tên lửa đẩy cho vệ tinh t-ơng lai phù hợp với nhu cầu và hoàn cảnh của n-ớc nhà, cũng nh- th-ơng thuyết, phối hợp với cộng đồng quốc tế và khu vực về việc sử dụng nguồn tài nguyên tần số và quỹ đạo vệ tinh gồm rất nhiều thủ tục phức tạp, một vấn đề quan trọng hàng đầu đ-ợc đặt ra là cần phải xây dựng mạng l-ới và khai thác vệ tinh đó nh- thế nào để đạt đ-ợc hiệu quả cao nhất? 2 Trong quá trình xây dựng một tuyến thông tin vệ tinh thì việc tính toán tuyến truyền dẫn chiếm một vị trí rất quan trọng.
- Do đó, tác giả đã đi sâu vào nghiên cứu các yếu tố ảnh h-ởng và các ph-ơng pháp tính toán tuyến truyền dẫn thông tin vệ tinh địa tĩnh.
- Luận văn cao học “Tính toán tuyến truyền dẫn hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh ” gồm các chơng nh sau: Ch-ơng 1 trình bày tóm tắt một số kỹ thuật, công nghệ có liên quan trực tiếp tới thông tin vệ tinh nh- một số kỹ thuật điều chế/ giải điều chế, các ph-ơng pháp ghép đa trạm.
- hiện đang đ-ợc sử dụng trong các hệ thống thông tin vệ tinh.
- Ch-ơng 2 nêu lên những yếu tố chính ảnh h-ởng tới chất l-ợng đ-ờng truyền một tuyến thông tin vệ tinh địa tĩnh, nh- các loại suy hao, can nhiễu gây ra do tạp âm, m-a, xuyên cực, giao thoa..
- Ch-ơng 3 đề cập đến những vấn đề không thể tách rời của một tuyến thông tin vệ tinh, đó là kỹ thuật trạm mặt đất.
- Mỗi phần tử của trạm mặt đất cùng với công nghệ nội tại của nó là những đối t-ợng kỹ thuật trực tiếp đối với vệ tinh và các thông tin về chúng là những đầu vào rất quan trọng để bài toán thiết lập truyền dẫn cho ra kết quả chính xác.
- Ch-ơng 4 phân tích các yếu tố ảnh h-ởng đến tín hiệu đ-ờng lên và đ-ờng xuống của tuyến thông tin vệ tinh, qua đó tính toán các đại l-ợng truyền dẫn của tuyến thông tin vệ tinh.
- Hà Nội, tháng 11 năm 2004 Hoàng Anh Tuấn 4 Ch-ơng 1: Công nghệ thông tin vệ tinh 1.1.
- Mở đầu Thông tin vô tuyến (Radio communication) bằng vệ tinh ra đời nhằm mục đích cải thiện các nh-ợc điểm của mạng vô tuyến mặt đất, đạt đ-ợc dung l-ợng cao hơn, băng tần rộng hơn, đem lại cho khách hàng nhiều dịch vụ mới và thuận tiện với chi phí thấp.
- Trong chiến tranh thế giới lần thứ hai, để tạo ra các vũ khí, khí thài ngày càng hiện đại, các n-ớc tham chiến buộc phải thúc đẩy việc nghiên cứu hai kỹ thuật mới là tên lửa và đài truyền dẫn viba.
- Hai kỹ thuật này lúc đầu chỉ là những kỹ thuật riêng rẽ.
- Về sau ng-ời ta mới tìm cách kết hợp hai kỹ thuật này lại với nhau và đã đạt đ-ợc nhiều thành công đáng kể, từ đó tạo điều kiện cho sự ra đời của thông tin vệ tinh.
- Hiện nay những dịch vụ mà hệ thống vệ tinh đem lại đã trở nên rất đa dạng và các -u điểm của nó so với các mạng vô tuyến mặt đất hay các mạng cáp là không thể phủ nhận.
- Năm 1957, n-ớc Nga phóng thành công vệ tinh nhân tạo đầu tiên của loài ng-ời lên quỹđạo (Vệ tinh SPUTNIK).
- Các năm sau đó các cuộc thử nghiệm đ-ợc diễn ra liên tiếp nh- quảng bá lời chúc giáng sinh của tổng thống Mỹ Eisenhower qua vệ tinh SCORE năm 1958, phóng thành công vệ tinh ECHO năm 1960, truyền tin qua vệ tinh COURIEN năm 1960, các vệ tinh dải rộng TELSTAR và RELAY năm 1962 và vệ tinh địa tĩnh đầu tiên SUNCOM năm 1963.
- Đến năm 1965 vệ tinh địa tĩnh th-ơng mại đầu tiên (INTELSAT I hay còn gọi là Early Bird) đ-ợc đ-a lên quỹ đạo, đánh dấu thời điểm chính thức thông tin vệ tinh có thể phục vụ con ng-ời.
- Cùng năm đó vệ tinh viễn thông đầu tiên của n-ớc Nga nằm trong hệ MOLNYA cũng đ-ợc phóng.
- 5 Những hệ thống vệ tinh đầu tiên chỉ có khả năng cung cấp một dung l-ợng thấp với giá thuê t-ơng đối cao.
- Ví dụ vệ tinh INTELSAT 1 chỉ có 480 kênh thoại với giá thuê 32500$ một kênh một năm.
- Giá thành quá cao này là do tại thời điểm bấy giờ khả năng của tên lửa đẩy còn thấp nên ng-ời ta không thể đ-a đ-ợc một vệ tinh quá nặng có dung l-ợng lớn lên quỹ đạo.
- Thêm nữa, ng-ời ta cũng đạt đ-ợc những tiến bộ trong việc chế tạo ra các antenna đa búp sóng (multi beam) phù hợp với hình dáng của vùng phục vụ cùng với các kỹ thuật sử dụng lại tần số và công nghệ bán dẫn đã cho phép các vệ tinh có mức phát tín hiệu mạnh hơn và tiết kiệm dải tần hơn.
- Sự phát triển này làm cho chúng ta có thể phóng đ-ợc những vệ tinh nặng với dung l-ợng lớn và giá thuê giảm xuống (ví dụ vệ tinh INTELSAT VI mang 80000 kênh thoại với giá thuê chỉ có 380 $ một kênh một năm).
- Hiện nay ng-ời ta đã khai thác đến thế hệ vệ tinh INTELSAT VII và VIII.
- Những đặc điểm của thông tin vệ tinh Nói tới một hệ thống thông tin vệ tinh, chúngg ta phải kể đến ba -u điểm nổi bật của nó mà các mạng mặt đất không có hoặc không hiệu quả bằng là.
- Ta đã biết đối với mạng thông tin vô tuyến mặt đất (Terrestrial Radio Commnication Network), hai trạm muốn thông tin cho nhau thì các antenna của chúng phải nhìn thấy nhau.
- Đó gọi là thông tin vô tuyến trong tần nhìn thẳng(Line of Sight-LOS).
- Việc nâng độ cao của cột antenna gặp rất nhiều khó khăn về kinh phí và kỹ thuật mà hiệu quả thì không bao nhiêu (ví dụ cột antenna có cao đ-ợc đến 1km thì nó cũng không thể quảng bá 200km trên mặt đất).
- Sự ra đời của vệ tinh chính là để thoả mãn nhu cầu đó.
- Với vệ tinh, ng-ời ta có thể truyền sóng đi rất xa và dễ dàng thông tin trên toàn cầu hơn bất cứ một hệ thống mạng nào khác.
- Thông qua vệ tinh INTELSAT, lần đầu tiên hai trạm đối diện hai bờ Đại Tây D-ơng đã thông tin đ-ợc cho nhau.
- Do có khả năng phủ sóng rộng lớn cho nên vệ tinh rất thích hợp cho các ph-ơng thức truyền tin đa điểm đến đa điểm, điểm đến đa điểm (cho dịch vụ quảng bá) hay đa điểm đến một điểm trung tâm HUB (cho dịch vụ thu thập số liệu).
- Bên cạnh khả năng phủ sóng rộng lớn, băng tần rộng của các hệ thống vệ tinh rất thích hợp với các dịch vụ quảng bá hiện đại nh- truyền hình số phân giải cao (High Definition TV-HDTV), phát thanh số hay các dịch vụ ISDN thông qua một mạng mặt đất (Terrestrial Network) hoặc đến trực tiếp thuê bao (Direct to Home – DTH) thông qua mạng VSAT.
- Cuối dùng do sử dụng ph-ơng tiện truyền dẫn qua giao diện vô tuyến cho nên hệ thống thông 7 tin vệ tinh là rất lý t-ởng cho khả năng cấu hình lại nếu cần.
- Tuy nhiên vệ tinh cũng có những nh-ợc điểm quan trọng là.
- Giá thành lắp đặt hệ thống rất cao, chi phí để phóng vệ tinh tốn kém và vẫn còn tồn tại xác xuất rủi ro.
- Ng-ời ta mong muốn vệ tinh có vai trò nh- là một cột antenna cố định nh-ng trong thực tế vệ tinh luôn chuyển động t-ơng đối với mặt đất, dù là vệ tinh địa tĩnh đi nữa thì vẫn có một sự dao động nhỏ.
- Điều này buộc hệ thống phải có các trạm điều khiển nhằm giữ vệ tinh ở một vị trí tối -u cho thông tin.
- Tuy nhiên kể cả khi có các trạm điều khiển thì vệ tinh vẫn không hoàn toàn cố định nên các trạm mặt đất nói chung cần có các hệ thống bám phức tạp và điều này làm giá thành của trạm tăng vọt.
- Thêm nữa do các vệ tinh bay trên các quỹ đạo cách rất xa mặt đất cho nên việc truyền sóng giữa các trạm gặp phải suy hao rất lớn, bị ảnh h-ởng của nhiều yếu tố thời tiết và phải đi qua nhiều dạng môi tr-ờng khác nhau.
- Để vẫn đảm bảo đ-ợc chất l-ợng của tuyến ng-ời ta phải sử dụng nhiều kỹ thuật bù và chống lỗi phức tạp.
- Nh- ta đã nói ở tr-ớc, chi phí phóng vệ tinh là rất cao cho nên nói chung các vệ tinh chỉ có khả năng hạn chế.
- Các vệ tinh bay trong không gian cách xa mặt đất, năng l-ợng chủ yếu dùng cho các động cơ phản lực điều khiển là các loại nhiên liệu lỏng hoặc 8 rắn đ-ợc vệ tinh mang theo trên boong.
- L-ợng nhiên liệu dự trữ này không thể quá lớn vì khả năng của các tên lửa đẩy có giới hạn, đồng thời nó sẽ làm cho kích th-ớc vệ tinh tăng lên đáng kể do phải tăng thể tích của thùng chứa.
- Nếu nh- vệ tinh đã dùng hết l-ợng nhiên liệu này thì chúng ta không thể điều khiển vệ tinh đ-ợc nữa, tức là không còn duy trì đ-ợc độ ổn định của tuyến.
- Khi đó coi nh- vệ tinh đã hỏng và nh- thế nói chung tuổi thọ của vệ tinh th-ờng thấp hơn các thiết bị thông tin mặt đất khác.
- Để làm cho vệ tinh hoạt động trở lại, ng-ời ta cần thu hồi lại vệ tinh để sửa chữa và tiếp thêm nhiên liệu.
- Sau đó ng-ời ta phải phóng lại nó lên quỹ đạo.
- Việc khôi phục các vệ tinh đã hết tuổi thọ này hết sức tốn kém và phức tạp nên trong thực tế, nói chung ng-ời ta th-ờng dùng ph-ơng pháp thay thế bằng một vệ tinh hoàn toàn mới và vứt bỏ vệ tinh cũ đi.
- Các ứng dụng của thông tin vệ tinh Một hệ thống vệ tinh có thể cung cấp rất nhiều loại hình dịch vụ khác nhau và ngày càng đ-ợc phát triển đa dạng hơn.
- Tuy nhiên nhìn chung thông tin vệ tinh đem lại ba lớp dịch vụ nh- sau.
- Đây là sự đáp ứng cho các dịch vụ cơ bản nhất đối với ng-ời sử dụng.
- Các trạm mặt đất của chúng th-ờng đ-ợc trang bị antenna đ-ờng kính từ 15-30m.
- Ví dụ cho lớp dịch vụ này là các hệ thống vệ tinh TELECOM1, SBS, EUTELSAT1, TELE-X và INTELSAT (cho mạng IBS).
- Các trạm mặt đất ở đây đ-ợc trang bị antenna đ-ờng kính từ 3-10m).
- Thông th-ờng ng-ời dùng sẽ kết nối trực tiếp với trạm mặt đất có trang bị antenna đ-ờng kính từ 0,6-1.2m.
- Lịch sử và xu h-ớng phát triển của kỹ thuật thông tin vệ tinh Thế hệ vệ tinh th-ơng mại đầu tiên là INTELSAT I hay Early Bird ra đời vào năm 1965.
- Đến đầu những năm 1970 các hệ thống vệ tinh đã có thể cung cấp các dịch vụ trao đổi thoại và truyền hình giữa hai lục địa.
- Mới đầu, vệ tinh chỉ đáp ứng đ-ợc cho các tuyến dung l-ợng thấp, sau đó nhu cầu gia tăng tốc độ cũng nh- số l-ợng thông tin qua vệ tinh đã thúc đẩy nhanh chóng việc hình thành các hệ thống vệ tinh đa búp sóng (Multi Beam) và các kỹ thuật dùng lại tần số cho sóng mang.
- Kỹ thuật đầu tiên đ-ợc dùng cho hệ thống vệ tinh là truyền dẫn analogue sử dụng công nghệ FDM/FM/FDMA.
- Các ph-ơng thức về sau dựa trên việc truyền dẫn số qua tuyến vệ tinh để khai thác triệt để mọi -u điểm do kỹ thuật số đem lại.
- Trong -ơng lai khi dung l-ợng của tuyến vệ tinh cũng nh- số l-ợng vệ tinh trên toàn cầu tăng lên rất lớn thì việc sử dụng quá nhiều sóng mang sẽ làm cho mức can nhiễu giữa các hệ thống thông tin với nhau v-ợt quá mức cho phép.
- Để giải quyết bài toán này, những nhà chế tạo bắt buộc phải nghĩ đến việc áp dụng các công nghệ sau: 10 - Xử lý tại chỗ (Onboard Processing): giải điều chế tín hiệu ngay trên vệ tinh để xử lý, sau đó điều chế lại rồi truyền các tín hiệu đã xử lý này xuống các trạm mặt đất thu.
- Đây là tr-ờng hợp của các vệ tinh tích cực (Regenerative Satellite.
- Chuyển mạch trên vệ tinh (Onboard Switching) hay còn gọi là đa truy nhập phân chia theo thời gian bằng chuyển mạch vệ tinh (SS-TDMA.
- Sử dụng mạng kết nối trực tiếp giữa các vệ tinh (Inter Satellite Network.
- Quảng bá trực tiếp từ vệ tinh tới ng-ời sử dụng (Direct to Home).
- Khi đó thiết bị đầu cuối của ng-ời sử dụng sẽ đ-ợc kết nối thẳng với trạm mặt đất mà không phải thông qua mạng.
- Hiện nay ở các n-ớc châu Âu, Châu Mỹ và Nhật, đang có rất nhiều ch-ơng trình phát triển thông tin vệ tinh nhằm tăng c-ờng khả năng của vệ tinh nh- dung l-ợng, công suất, tuổi thọ và ph-ơng thức truyền dẫn.
- Điều này cho phép kích cỡ và giá thành của trạm mặt đất ngày càng giảm đi và trở lên gần gũi hơn vớii ng-ời sử dụng.
- Đây là một sự tiến bộ rất có ý nghĩa cho cơ hội phát triển của vệ tinh trong t-ơng lai.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt