- Tóm tắt—Bài báo giới thiệu giải pháp mới trong việc cải thiện dung lượng của hệ thống truyền thông vệ tinh (SatCom) quỹ đạo thấp (LEO) bằng kỹ thuật MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). - Gần đây chùm vệ tinh LEO cung cấp dịch vụ dữ liệu cố định hoặc di động toàn cầu nhận được nhiều quan tâm của các nhà cung cấp dịch vụ lớn do đặc trưng nổi bật về trễ và tổn hao truyền sóng so với các các quỹ đạo khác. - Việc triển khai MIMO đa vệ tinh với chùm vệ tinh LEO là khả thi và hiệu năng hệ thống được cải thiện đáng kể. - Bài báo đề xuất cấu hình MIMO 3 vệ tinh với hiệu năng dung lượng nhận được khá tốt trên băng tần Ku.. - Từ khóa—LEO, MIMO, SatCom, Truyền thông vệ tinh.. - Vệ tinh quỹ đạo thấp có độ cao quỹ đạo khoảng 700km đến 1.200km. - Khai thác lợi thế này, nhiều hệ thống di động vệ tinh mặt đất (LMS) đã được triển khai khá sớm, từ những năm cuối 1990 như GlobalStar, Iridum, ICO. - Tuy nhiên thời điểm đó chi phí chế tạo, phóng vệ tinh còn rất đắt đỏ, cùng với máy đầu cuối cồng kềnh khiến việc thương mại hóa gặp nhiều khó khăn.. - Hiện nay, các điều kiện kỹ thuật đã cho phép triển khai chùm vệ tinh LEO lớn để cung cấp dịch vụ dữ liệu cố định và di động toàn cầu. - Chẳng hạn như hệ thống StarLink dự kiến lên tới 12.000 vệ tinh cung cấp kết nối intenet toàn cầu, đến nay đã phóng trên 1000 vệ tinh và bắt đầu thử nghiệm dịch vụ từ đầu 2020. - Để cải thiện dung lượng của hệ thống, giải pháp MIMO là lựa chọn hàng đầu vì với chùm vệ tinh LEO, mỗi đầu cuối có thể kết nối tới nhiều vệ tinh. - Tuy nhiên sự chuyển động liên tục của vệ tinh làm phát sinh hiệu ứng Doppler phức tạp Tác giả liên hệ: Nguyễn Viết Minh,. - Bài báo đề xuất giải pháp MIMO đa vệ tinh cho hệ thống chùm vệ tinh LEO lớn cung cấp kết nối cho đầu cuối cố định. - Các vấn đề Doppler cũng như can nhiễu đa vệ tinh được đưa vào tính toán để làm rõ mức độ cải thiện hiệu năng dung lượng của hệ thống. - MÔ HÌNH HỆ THỐNG LEO. - Hệ thống chùm vệ tinh LEO lớn bao gồm từ hàng trăm vệ tinh trở lên hoạt động trên quỹ đạo thấp. - Để tránh nhiễu giữa các vệ tinh trong vùng phủ sóng thì mỗi vệ tinh được ấn định một tần số riêng.. - Đầu cuối mặt đất tại một thời điểm có thể thu tín hiệu từ nhiều vệ tinh, tuy nhiên kết nối đến mỗi vệ tinh chỉ tồn tại trong thời gian xác định.. - Giả thiết trạm đầu cuối mặt đất biết rõ quỹ đạo của các vệ tinh và băng tần ấn định của chúng. - Tín hiệu phát x m (t) của vệ tinh thứ m được viết:. - t exp j 2 f t m ) (1) s m (t) là tín hiệu băng gốc phát qua vệ tinh m, f m là tần số sóng mang vệ tinh.. - Khi tính tới dịch tần Doppler do chuyển động của vệ tinh LEO thì giá trị f m được thiết lập theo:. - (3) W m là độ rộng băng tần của tín hiệu vệ tinh thứ m, W GB. - Máy đầu cuối (UT) thu tín hiệu từ từng vệ tinh và nhận Nguyễn Viết Minh. - CẢI THIỆN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VỆ TINH BẰNG MIMO. - ĐA VỆ TINH. - được thông tin điều khiển trong đó để lựa chọn vệ tinh có hiệu năng tốt nhất theo yêu cầu. - Tiêu chí cơ bản cho lựa chọn thường là công suất thu tối đa trong số các vệ tinh nhìn thấy, được xác định:. - Ta giả thiết thêm hệ thống vệ tinh cung cấp một môi trường kênh truyền đơn như sau:. - x m t (6) Tín hiệu giải điều chế. - s đạt được bằng cách chia cho đáp ứng kênh ước tính h’ m bởi tích vô hướng của tín hiệu thu với sóng mang kênh mong muốn cùng bù dịch tần Doppler như sau:. - Do hệ thống LEO sử dụng càng nhiều tín hiệu kênh khi càng nhiều vệ tinh có mặt trong vùng phủ, M, hiệu suất phổ tần của hệ thống được cấp phát băng thông W nếu bỏ qua băng bảo vệ thì có thể được tính:. - W (8) Một hạn chế dễ thấy của hệ thống LEO đó là việc ấn định tần số cố định cho mỗi vệ tinh khiến việc triển khai MIMO không linh hoạt. - Với tín hiệu điều khiển thì việc cố định tần số riêng cho từng vệ tinh là cần thiết vì liên quan đến nhận dạng vệ tinh cho thông tin điều khiển của từng vệ tinh, quá trình ước tính kênh để đánh giá lựa chọn vệ tinh cũng như phục vụ quá trình mô hình kênh cho cân bằng tại máy thu. - Tuy nhiên, nếu tần số cho tín hiệu số liệu cũng được cố định chung với tín hiệu điều khiển thì sẽ không khai thác hết phổ tần để cải thiện dung lượng của hệ thống.. - Trong mô hình bài báo đề xuất, để cải thiện hiệu năng dung lượng, tín hiệu điều khiển và số liệu được ấn định trên những sóng mang khác nhau. - Tín hiệu điều khiển ấn định trên tần số riêng cho từng vệ tinh, trong khi sóng mang của tín hiệu số liệu được lựa chọn động phù hợp với sơ đồ MIMO.. - Tín hiệu băng gốc x m (t) được phát từ vệ tinh m được biểu diễn như sau:. - C m là tín hiệu điều khiển của vệ tinh thứ m. - W c là độ rộng băng tần tín hiệu điều khiển, c m (t) là tín hiệu điều khiển băng gốc của vệ tinh m. - S m,n (t) là tín hiệu băng con từ vệ tinh thứ m trong băng tần thứ n.. - s n,m là tín hiệu băng gốc từ vệ tinh thứ m ở băng thứ n,. - f n là tần số băng con của tín hiệu số liệu thứ n,. - W n data là độ rộng băng tần tín hiệu số và M là số vệ tinh trong vùng dịch vụ. - Tín hiệu thu từ anten thứ k của đầu cuối người dùng được biểu diễn như sau:. - Với h km là thành phần kênh được tạo giữa vệ tinh thứ m và anten thứ k của người dùng, và. - Trong hệ thống LEO-MIMO đề suất, như đã có trong công thức (13), các thành phần kênh h km và tần số Doppler f m có thể được ước tính thậm chí nếu tín hiệu số được ghép trên cùng băng tần với từng dịch Doppler riêng do tín hiệu điều khiển cho việc đánh giá được ấn định ở băng riêng cố định. - Để ước tính ma trận kênh cho giải điều chế tín hiệu MIMO, các thành phần kênh sau phải được ước tính tại thiết bị đầu cuối:. - Thời gian trễ được ước tính bằng cách tách thời gian thu của từ duy nhất trong tín hiệu điều khiển. - Lượng dịch tần xác định thông qua thông tin về tần số của tín hiệu điều khiển.. - Trong hệ thống đề xuất, sự tương quan được tính toán sử dụng giá trị ước tính kênh có được để lựa chọn vệ tinh MIMO cụ thể.. - trận kênh tạo ra từ K kết hợp tùy ý các vec tơ cột h m của thành phần kênh hàng K thuộc vệ tinh thứ m và anten thu.. - Nó chọn 3 vệ tinh cho. - Véc tơ tín hiệu giải điều chế s’ được rút ra từ biến đổi tuyến tính:. - Với r n d là véc tơ tín hiệu thu tần số thứ n d có kích thước K. - n d là số tần số được chọn từ 1 ~ n ~ N của tín hiệu số liệu được thông báo từ trạm gốc. - Nhận dạng vệ tinh: Trạm gốc nhận dạng vệ tinh có thể kết nối trong từng vùng dịch vụ dựa trên thông tin quỹ đạo vệ tinh.. - Thông báo tín hiệu điều khiển: Với từng vùng dịch vụ, trạm gốc gửi tín hiệu điều khiển tới băng tần của mỗi vệ tinh. - Đồng bộ tín hiệu điều khiển: Đầu cuối người dùng đồng bộ tín hiệu điều khiển của tất cả vệ tinh thu được.. - Ước tính kênh dựa trên tín hiệu điều khiển:. - Đầu cuối người dùng thực hiện ước tính kênh, sau đó thông báo cho trạm gốc về vệ tinh yêu cầu.. - Ấn định băng thông truyền dẫn MIMO: Độ rộng băng tần cho truyền dẫn MIMO của tín hiệu số liệu được trạm gốc ấn định dựa trên thông tin của vệ tinh được yêu cầu từ tất cả các đầu cuối.. - Thực hiện truyền dẫn số liệu: Trạm gốc tạo ra và phát tín hiệu số liệu tới đầu cuối qua từng vệ tinh.. - Thu số liệu: Máy đầu cuối tiến hành cân bằng thu sử dụng tín hiệu điều khiển của vệ tinh và giải điều chế tín hiệu số liệu của mình.. - Bước 8 Xác định vệ tinh MIMO: Máy đầu cuối xác định có cần thay đổi vệ tinh yêu cầu hay không, nếu không thì lặp lại bước 7, nếu có thì quay về bước 4.. - Như vậy, trong hệ thống đề xuất, ở bước 1 và 2 tần số tín hiệu điều khiển duy nhất của vệ tinh được trạm gốc ấn định cho vùng dịch vụ, máy đầu cuối thu và đồng bộ tín. - Trong các bước 3 và 4, sau khi máy đầu cuối thu và đồng bộ tín hiệu điều khiển ở phương trình (10), xác định vệ tinh MIMO cụ thể trong phương trình (15) dựa trên thông tin ước tính kênh, nó thông báo cho trạm gốc vệ tinh cụ thể qua đường lên.. - Trong bước 5, trạm gốc ấn định tài nguyên tần số cho từng tín hiệu số liệu của vệ tinh dựa trên thông tin được thông báo từ máy đầu cuối và phát tín hiệu số liệu đường xuống. - Đồng thời phương pháp ấn định độ rộng băng tần thứ n W n data được điều khiển bởi trạm gốc căn cứ số vệ tinh được xác định bởi các máy đầu cuối tích cực trong vùng dịch vụ.. - Trong bước 7, máy đầu cuối được thông báo thông tin về tần số qua tín hiệu điều khiển từ BS và thực hiện việc cân bằng dựa trên thông tin ước tính để giải điều chế tín hiệu MIMO.. - Hiệu suất phổ tần đạt được bằng việc loại bỏ tổng độ rộng các băng bảo vệ giữa M tín hiệu điều khiển và N tín hiệu số liệu.. - So với các hệ thống truyền thống, hiệu suất phổ tần xác định theo (20) giảm đi do tài nguyên được ấn định cho các tín hiệu điều khiển dành riêng và băng bảo vệ giữa chúng. - Tuy nhiên việc ấn định động băng tần truyền tín hiệu số liệu giúp triển khai linh hoạt sơ đồ MIMO và tác động đến việc cải thiện dung lượng của hệ thống.. - Bây giờ ta đánh giá dung lượng truyền dẫn đạt được trong hệ thống MIMO-LEO đề xuất. - Cũng như vậy, ta xem xét tất cả các máy đầu cuối thực hiện truyền dẫn MIMO với tất cả anten, nghĩa là số băng tín hiệu số liệu N = 1.. - 0 biểu diễn SNR thu từ vệ tinh khi có một anten thu. - N t là số vệ tinh phát và N r là số anten thu. - Ngoài ra, để thu tín hiệu điều khiển và tránh nhiễu giữa các sóng mang, độ rộng băng tần của tín hiệu điều khiển W C và độ rộng băng bảo vệ W GB được đặt bằng hai lần tần số Doppler. - Số vệ tinh khảo sát thay đổi 1 ÷ 15, mức CNR cho từng anten đạt 7 ÷ 10dB.. - Hình 1 trình bày dung lượng kênh theo số vệ tinh được vẽ với giá trị của hàm phân bố tích lũy, CDF, lần lượt là là 1% và 50%. - Do R giảm khi số vệ tinh tăng, có thể thấy rằng có một sự đánh đổi giữa số lượng vệ tinh và dung lượng kênh ở trường hợp W = 10MHz trong hình (a). - Tại 12GHz, giá trị tối đa đạt được với 3 vệ tinh tại cả hai giá trị CDF 1% và 50%.. - lượng vệ tinh ở hai băng tần Ku và Ka.. - Ngược lại, tại 20GHz mặc dù đặc tính dung lượng đơn điệu giảm, lượng cải thiện đạt được với 2 đến 4 vệ tinh so với hệ thống thông thường.. - Do phần độ rộng băng tần kênh điều khiển là cố định trong khi có thể ấn định thêm băng thông cho tín hiệu số liệu, bất cứ sự tăng băng thông nào của hệ thống MIMO-LEO đều ảnh hưởng tích cực đến dung lượng hệ thống. - Điều này giúp khắc phục nhược điểm của hệ thống LEO thông thường, khi băng tần cho tín hiệu điều khiển và số liệu được ấn định cố định, việc tăng số vệ tinh kết nối lại làm giảm dung lượng hệ thống do ảnh hưởng của can nhiễu. - Lưu ý sự cải thiện dung lượng truyền dẫn dần dần bão hòa khi số lượng vệ tinh lớn.. - Minh chứng nêu trên cho thấy dung lượng hệ thống có thể được cải thiện đáng kể so với hệ thống thông thường bằng việc thiết lập phù hợp độ rộng băng tần và số vệ tinh. - thiết lập đủ lớn so với dịch tần Doppler, có thể kỳ vọng hiệu ứng cải thiện dung lượng truyền dẫn đáng kể mà không cần xét đến số vệ tinh.. - Lưu ý các kết quả mô phỏng trên với giả thiết tất cả các máy đầu cuối có khả năng thiết lập truyền dẫn MIMO với cùng số lượng vệ tinh, trong khi thực tế thì số lượng vệ tinh tùy thuộc vị trí của máy đầu cuối và tình hình vùng dịch vụ. - Việc tạo chùm vệ tinh nhìn thấy là cần thiết để đảm bảo rằng tất cả máy đầu cuối có thể đạt được dung lượng truyền dẫn cao trong băng tần hạn chế. - Các quỹ đạo vệ tinh trong mô phỏng được đặt ngẫu nhiên trong khi dung lượng truyền dẫn MIMO cũng phụ thuộc vào quỹ đạo vệ tinh, do đó việc khảo sát thêm với với thông tin quỹ đạo vệ tinh cụ thể là cần thiết.. - Bài báo đã phân tích dung lượng của hệ thống truyền thông vệ tinh quỹ đạo thấp sử dụng kỹ thuật MIMO. - Do có tổn hao truyền lan thấp và thời gian trễ nhỏ nên các chùm vệ tinh LEO lớn được triển khai nhiều gần đây. - Với khả năng nhìn thấy nhiều vệ tinh từ máy đầu cuối, kỹ thuật MIMO sử dụng đa vệ tinh được kỳ vọng mang lại dung lượng truyền dẫn cao hơn cho hệ thống vệ tinh. - Vấn đề chính của hệ thống MIMO-LEO là dịch Doppler do chuyển động của vệ tinh ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống.. - Qua nghiên cứu ta thấy, truyền dẫn MIMO với 3 vệ tinh đạt được cải thiện hiệu năng đáng kể nếu độ rộng băng tần giới hạn 10MHz, và mức cải thiện dung lượng trung bình lên tới 4 lần có thể đạt được ở băng Ku đường xuống 12GHz. - Số vệ tinh. - Dung lượng [b/s/Hz]. - Dung lượng [b/s/Hz] C
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt