Luận văn Tính đường truyền cho hệ thống thông tin Vinasat

Nội dung tài liệu: Luận văn Tính đường truyền cho hệ thống thông tin Vinasat

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- CHU TUẤN LINH TÍNH ĐƢỜNG TRUYỀN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VINASAT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2012
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------------------- CHU TUẤN LINH TÍNH ĐƢỜNG TRUYỀN CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN VINASAT Chuyên ngành : Vật lý Vô tuyến và Điện tử Mã số: 60 44 03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Viết Kính Hà nội - 2012 1
3. MỤC LỤC DANH MụC HÌNH Vẽ ....................................................................................................................................... 3 DANH MụC CHữ VIếT TắT ............................................................................................................................. 4 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................................................. 5 CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH........................................................ 6 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống vệ tinh ..................................................................................................... 6 1.2 Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh ............................................................................................. 7 1.3 Một số đặc điểm của thông tin vệ tinh : .................................................................................................. 12 1.4 Các dạng quỹ đạo vệ tinh ....................................................................................................................... 13 1.5 Các băng tần cho thông tin vệ tinh ......................................................................................................... 15 Tóm Tắt chương : ......................................................................................................................................... 20 CHƢƠNG 2 : ĐẶC ĐIỂM THÔNG TIN VỆ TINH VINASAT ..................................................................... 21 2.1. Thông tin vệ tinh VINASAT-1 ................................................................................................................ 22 2.2Các chỉ tiêu kỹ thuật vệ tinh VINASAT-2 ................................................................................................. 29 2.3 So sánh vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat-2 .................................................................................................. 31 2.4 Các dịch vụ cung cấp trên vệ tinh VINASAT-1&2 .................................................................................. 32 Tóm Tắt chương : ......................................................................................................................................... 37 CHƢƠNG 3 : TÍNH TOÁN ĐƢỜNG TRUYỀN THÔNG TIN VỆ TINH KHI CÓ NHIỄU ...................... 38 3.1 Phân tích đường truyền tuyến lên ........................................................................................................... 38 3.2 Phân tích đường truyền tuyến xuống ..................................................................................................... 41 3.3 Các suy hao ảnh hưởng tới chất lượng truyền dẫn ................................................................................. 46 3.4 Các biện pháp nâng cao chất lượng dịch vụ........................................................................................... 52 3.5 Nhiễu trong thông tin vệ tinh .................................................................................................................. 53 Tóm Tắt chương : ......................................................................................................................................... 59 CHƢƠNG 4 : TÍNH TOÁN ĐƢỜNG TRUYỀN THÔNG TIN VỆ TINH KHI CÓ NHIỄU GIỮA CÁC VỆ TINH LÂN CẬN CHO VỆ TINH VINASAT-1 ............................................................................................... 60 4.1 Nhắc lại một số công thức : .................................................................................................................... 60 4.2 Tính toán cho vệ tinh Vinasat ................................................................................................................. 64 4.3 Mô phỏng chất lượng tín hiệu sử dụng công nghệ DVB-S2 .................................................................... 66 4.4 Kết quả mô phỏng ................................................................................................................................... 67 4.5 Phân tích ảnh hưởng của nhiễu vệ tinh lân cận tới đường truyền thông tin vệ tinh ............................... 68 4.6 Xây dựng phần mềm tính chất lượng đường truyền thông tin vệ tinh khi có kể tới nhiễu giữa các vệ tinh lân cận .......................................................................................................................................................... 72 Tóm Tắt chương : ......................................................................................................................................... 73 KếT LUậN ........................................................................................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................................................. 75 PHụ LụC 1: CODE CủA CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ........................................................................... 76 2
4. Danh mục hình vẽ Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống TTVT [8] .................................................................................................. 8 Hình 1.2: Phân đoạn mặt đất ................................................................................................................ 11 Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh ............................................................................................... 13 Hình 1.4: Sự phụ thuộc hấp thụ khí quyển vào tần số ........................................................................... 16 Hình 2.1:Phân bố phổ tần số băng tần C .............................................................................................. 23 Hình 2.2: Sơ đồ phân bổ tần số băng Ku .............................................................................................. 27 Hình 2. 3 Sơ đồ phân bổ tần số băng Ku [3] ........................................................................................ 29 Hình 2.4: Dịch vụ VSAT ........................................................................................................................ 34 Hình 2.5: Truyền dẫn cho mạng Internet qua vệ tinh ........................................................................... 34 Hình 2.6: Mô hình dịch vụ Kênh thuê riêng .......................................................................................... 35 Hình 2.7: Dịch vụ Mobile trunking qua vệ tinh .................................................................................... 35 Hình 2.8: Phát hình quảng bá qua vệ tinh ............................................................................................ 36 Hình 2.9: Đào tạo từ xa qua vệ tinh ...................................................................................................... 36 Hình 2.10: Phát hình lưu động ............................................................................................................. 37 Hình 3.1: Nhiễu giữa các vệ tinh lân cận.............................................................................................. 56 Hình 3.2:Nhiễu vệ tinh lân cận do chỉnh anten phát không đúng ......................................................... 56 Hình 3.3: Khắc phục nhiễu vệ tinh lân cận do chỉnh anten phát không đúng ...................................... 57 Hình 3.4 : Nhiễu vệ tinh lân cận do công suất búp sóng phụ lớn ......................................................... 57 Hình 3.5 : Nhiễu vệ tinh lân cận do búp sóng chính quá lớn ................................................................ 58 Hình 3.6 : Nhiễu vệ tinh lân cận do trùng đường đẳng mức ................................................................. 58 Hình 4.1 : Kết quả mô phỏng chất lượng tuyến thông tin vệ tinh ......................................................... 67 Hình 4.2: Kết quả mô phỏng chất lượng tuyến TTVT sau khi điều chỉnh ............................................. 67 Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tỷ số năng lượng bit trên cường độ tạp âm vào C/I ....... 69 Hình 4.4: Sự phụ thuộc của BER vào tỷ số C/I với băng thông R=2,048mbps ..................................... 70 Hình 4.5: Sự phụ thuộc của E/No vào tỷ số C/I với băng thông R=3,072mbps .................................... 70 Hình 4. 6 : Sự phụ thuộc của C/I vào EIRP trạm gây nhiễu ................................................................. 71 Hình 4.7: Giao diện nhập số liệu của phần mềm .................................................................................. 73 Hình 4.8: Giao diện kết quả của phần mềm .......................................................................................... 73 3
5. Danh mục chữ viết tắt BER Bit Error rate Tỷ lệ lỗi bit Tỷ số công suất sóng mang tín hiệu hữu ích C/I Carrier to noise trên nhiễu Tỷ số công suất sóng mang trên mật độ phổ C/No C/No tạp âm Tỷ số công suất sóng mang trên nhiệt tạp âm C/T C/T hệ thống Digital Video Broadcasting DVB-S2 Truyền hình số qua vệ tinh thế hệ thứ 2 Satellite Second Generation Eb/No Eb/No Năng lượng bit trên mật độ phổ tạp âm Equivalent isotropic radiated EIRP Công suất bức xạ đẳng hướng tương đương power G anten Antenna Gain Hệ số tăng ích của anten G/T G/T Hệ số phẩm chất GEO GEO-stationary earth orbits Quỹ đạo địa tĩnh HEO Highly elliptical orbit Quỹ đạo elip cao HPA High Power Amplifier Bộ khuyếch đại công suất lớn ISP Internet Service Provider nhà cung cấp dịch vụ Internet International ITU Tổ chức viễn thông quốc tế Telecommunication Union LEO Low earth orbits Quỹ đạo mặt đất tầm thấp LNA Low Noise Amplifier Bộ khuyếch đại tạp âm thấp MEO Medium Earth orbit Quỹ đạo vệ tinh tầm trung NOC Network Operations Center Trung tâm điều hành mạng SES Satellite Earth Station Trạm thông tin vệ tinh mặt đất SFD Saturated Flux Density Mật độ thông lượng bão hòa TTVT Thông tin vệ tinh Viet Nam Post and VNPT Tập đoàn bưu chính viễn thông Việt Nam Telecommunications Group VSAT Very small aperture terminal Đầu cuối có khẩu độ rất nhỏ VTI Vietnam Telecom International Công ty Viễn Thông Quốc tế 4
6. MỞ ĐẦU Thông tin vệ tinh đã trở thành một phương tiện thông tin phổ biến trên thế giới cũng như Việt Nam. Ngày nay, có thể thấy thông tin vệ tinh trong rất nhiều lĩnh vực, như truyền hình, truyền số liệu, điện thoại vệ tinh ... Với ưu điểm vùng phủ sóng lớn, dịch vụ cung cấp đa dạng đã khiến thông tin vệ tinh trở thành phương tiện hữu hiệu kết nối thông tin giữa các vùng địa lý với nhau, đặc biệt là đối với các vùng xa xôi như biên giới, hải đảo nơi các phương tiện thông tin khác khó đạt đến. Với các ưu thế trên,thông tin vệ tinh đang phát triển mạnh mẽ trên thế giới, Việt Nam cũng không đứng ngoài xu thế đó. Tuy nhiên, việc phát triển hệ thống thông tin vệ tinh dẫn tới số lượng vệ tinh trên quỹ đạo tăng nhanh, thực tế chỉ trong bốn năm ( từ năm 2008-2012) Việt Nam đã đưa vào hoạt động hai vệ tinh Vinasat-1 và Vinasat 2. Do đó vấn đề Tính toán đường truyền cho hệ thống thông tin vệ tinh (khi có kể tới nhiễu giữa các vệ tinh lân cận) là cấp thiết để đảm báo chất lượng dịch vụ cung cấp cho khách hàng. Luận văn sẽ trình bày phương pháp tính, khảo sát ảnh hưởng của nhiễu kênh lân cận tới chất lượng tuyến thông tin vệ tinh cũng như xây dựng phần mềm tính toán chất lượng kênh thông tin vệ tinh khi kể tới nhiễu kênh lân cận. Ngoài ra, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Viết Kính đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi hoàn thành cuốn luận văn này. 5
7. CHƢƠNG 1 :TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH 1.1 Lịch sử phát triển của hệ thống vệ tinh Ngày nay vệ tinh được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như nghiên cứu, thông tin, truyền hình và có vai trò ngày càng quan trọng. Để hiểu rõ hơn tầm quan trọng của hệ thống thông tin vệ tinh, ta điểm qua lịch sử phát triển của nó [9]: - Vào cuối thế kỷ 19, nhà bác học Nga Tsiolkovsky (1857-1935) đã đưa ra các khái niệm cơ bản về tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. Ông cũng đưa ra ý tưởng về tên lửa đẩy nhiều tầng, các tàu vũ trụ có người điều khiển thăm dò vũ trụ. - Năm 1926 Robert Hutchinson Goddard thử nghiệm thành công tên lửa đẩy dùng nhiên liệu lỏng. - Tháng 5 năm 1945 Arthur Clarke nhà vật lý nổi tiếng người Anh đồng thời là tác giả của mô hình viễn thông thông tin toàn cầu, đã đưa ra ý tưởng sử dụng một hệ thống gồm 3 vệ tinh địa tĩnh dùng để phát thanh quảng bá trên toàn thế giới. - Tháng 10 năm 1957 lần đầu tiên trên thế giới, Liên Xô phóng thành công vệ tinh nhân tạo SPUTNIK – 1. Đánh dấu một kỷ nguyên về thông tin vệ tinh - Năm 1958 bức điện đầu tiên được phát qua vệ tinh SCORE của Mỹ, bay ở quỹ đạo thấp. - Năm 1963 một vệ tinh địa tĩnh đầu tiên có tên là SYNCOM, có độ cao bay 36000 km đã truyền hình trực tiếp thế vận hội Olympic Tokyo từ Nhật về Mỹ. - Năm 1964 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTELSAT. - Năm 1965 ra đời hệ thông TTVT thương mại đầu tiên INTELSAT – 1 với tên gọi Early Bird. - Năm 1965 Liên Xô phóng vệ tinh MOLNYA lên quỹ đạo elip. - Năm 1971 thành lập tổ chức TTVT quốc tế INTERSPUTNIK gồm Liên Xô và 9 nước XHCN. - Năm 1972 – 1976 Canada, Mỹ, Liên Xô, Indonesia sử dụng vệ tinh cho thông tin nội địa. 6
8. - Năm 1979 thành lập tổ chức thông tin hàng hải quốc tế qua vệ tinh INMARSAT. - Năm 1984 Nhật Bản đưa vào sử dụng hệ thống truyền hình trực tiếp qua vệ tinh. - Năm 1987 thử nghiệm thành công vệ tinh phục vụ cho thông tin di động qua vệ tinh. - Từ 1999 đến nay, ra đời ý tưởng và hình thành hệ thống thông tin di động và thông tin băng rộng toàn cầu sử dụng vệ tinh. Các hệ thống điển hình như GLOBAL STAR, IRIDIUM, ICO, SKYBRIGDE, TELEDESIC Sự phát triển của hệ thống thông tin vệ tinh tại Việt Nam : - Năm 1980 khánh thành trạm TTVT mặt đất HOASEN – 1 nằm trong hệ thống TTVT INTERPUTNIK, được đặt tại làng DO LỄ - KIM BẢNG – HÀ NAM. - Năm 1984 khánh thành trạm mặt đất HOASEN – 2 đặt tại TPHCM. - Lúc 5h50 rạng sáng ngày 19/4, tên lửa Ariane 5 của Arianespace đã kết thúc cuộc hành trình đưa Vinasat-1 của Việt Nam vào quỹ đạo - Được phóng thành công lên không gian vào lúc 5h13 phút ngày 16/5/2012 (theo giờ Việt Nam), vệ tinh VINASAT-2 đã được đưa từ quỹ đạo chuyển đổi đến quỹ đạo địa tĩnh (cách trái đất gần 36.000km) và đến ngày 21/5, vệ tinh VINASAT-2 đã được định vị thành công tại vị trí quỹ đạo 131,8 độ Đông 1.2 Cấu trúc của một hệ thống thông tin vệ tinh Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh được trình bầy trong hình 1.1, trong đó bao gồm phần không gian và trạm mặt đất. Phần không gian ở đây được hiểu là vệ tinh và toàn các thiết bị phục vụ điều khiển theo dõi vệ tinh. Phần mặt đất bao gồm các trạm mặt đất, chúng thường được kết nối tới thiết bị đầu cuối sử dụng thông qua một mạng mặt đất hoặc với các trạm nhỏ như VSAT chúng được kết nối trực tiếp. Sóng vô tuyến phát đi từ trạm mặt đất và được vệ tinh tiếp nhận, gọi là đường lên (Uplink)/ Vệ tinh chuyển tiếp sóng mang này tới trạm thu, gọi là đường xuống (Downlink) 7
9. PHẦN KHÔNG GIAN Trạm Điều Khiển Đường lên Đường xuống (Uplink) (Downlink) Trạm phát Trạm thu PHẦN MẶT ĐẤT Hình 1. 1: Cấu trúc hệ thống TTVT [8] 1.2.1 Phần không gian Có thể coi vệ tinh là một trạm phát lặp tích cực trên tuyến thông tin siêu cao tần giữa trạm mặt đất – vệ tinh – trạm mặt đất thu, cấu trúc gồm hai phần chính Tải hữu ích ( Payload) Tải hữu ích hay còn gọi là tải thông tin là một bộ phận cơ bản của vệ tinh thông tin, đảm nhiệm vai trò phát lặp của một vệ tinh thông tin. Nó thực hiện các chức năng chính sau: + Thu tín hiệu từ các trạm mặt đất cho phát lên trong dải tần và phân cực đã định. + Khuếch đại tín hiệu thu từ trạm mặt đất phát và giảm mức nhiễu tín hiệu tối đa. + Đổi dải tần tuyến lên thành dải tần tuyến xuống. + Cấp tín hiệu với mức công suất yêu cầu trong dải tần đã định ra anten phát. + Truyền tín hiệu cao tần trong dải tần và phân cực đã định đến anten của trạm thu mặt đất. Tải hữu ích cần đảm bảo các tính năng sau: + Đảm bảo thu và phát các kênh sóng trong dải tần và phân cực đã định. + Đảm bảo các vùng phủ sóng trên mặt đất theo yêu cầu. + Đảm bảo công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP trên các vùng phủ sóng của vệ tinh. 8
10. + Đảm bảo hệ số phẩm chất G/T của máy thu với tín hiệu phát của từng vùng phủ sóng lên. + Đảm bảo yêu cầu về tuyến tính. + Đảm bảo mật độ tin cậy của kênh truyền trong suốt thời gian sống của vệ tinh. Payload trên một vệ tinh gồm : bộ phát đáp và các anten để thu tín hiệu a)Bộ phát đáp Bộ phát đáp là một thiết bị quan trọng của một vệ tinh thông tin, nó thực hiện chức năng thu sóng vô tuyến từ trạm mặt đất phát từ tuyến lên, sau đó khuếch đại và đổi tần tín hiệu rồi phát xuống trạm mặt đất theo hướng xuống b)Anten trên vệ tinh : Anten trên vệ tinh có chức năng nhận tín hiệu cao tần truyền lên từ các trạm mặt đất và gửi tín hiệu cao tần xuống trạm thu. Các vệ tinh địa tĩnh thường dùng loại anten phát tia bao trùm (Global Beam) có độ rộng mức suy hao 3dB là 170 – 180. Anten búp sóng nhọn chừng vài độ dùng để phủ sóng một vùng hẹp nhất định gọi là chùm vết (Spot Beam), loại này đảm bảo công suất không thay đổi trong vùng bao phủ. Để điều khiển hình dáng vùng phủ trên mặt đất và công suất phát ra theo ý muốn, các anten trên vệ tinh được trang bị đầu thu phát sóng và kết cấu bề mặt phản xạ. Ngoài ra để đảm bảo yêu cầu chất lượng trong vùng phủ sóng và không gây can nhiễu ra các vùng khác ngoài vùng phủ sóng của vệ tinh, các anten trên vệ tinh có mặt phản xạ cấu trúc đặc biệt đảm bảo dạng vùng phủ sóng và chất lượng trong vùng phủ sóng theo yêu cầu, đồng thời phần ngoài biên mức giảm 3dB tín hiệu phải giảm rất nhanh. c)Phần thân : Phần thân không tham gia trực tiếp vào quá trình phát lặp của hệ thống thông tin vệ tinh, nhưng nó đảm bảo các điều kiện yêu cầu cho tải hữu ích thực hiện chức năng của một trạm phát lặp. Phần thân có các thành phần sau : - Hệ duy trì vị trí và tư thế bay của vệ tinh Tác dụng để ổn định tư thế bay của vệ tinh. Tư thế bay của vệ tinh liên quan đến việc định hướng trong không gian, phần lớn các thiết bị mang trên tàu vũ trụ là nhằm hỗ trợ cho việc điều khiển tư thế bay của vệ tinh. Tư thế của vệ tinh có thể 9