Tài liệu Đồ án: Nghiên cứu kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép giữa mạng thông tin vệ tinh và mạng mặt đất

1 MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT............................................................................iii DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU...............................................................................viii LỜI NÓI ĐẦU.......................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH VÀ KỸ THUẬT VÔ TUYẾN NHẬN THỨC.........................................................................................3 1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh...................................................3 1.1.1 Sự ra đời của các hệ thống thông tin vệ tinh........................................3 1.1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống vệ tinh:........................................4 1.1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh..........................................................11 1.1.4 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh............................................................11 1.1.5 Cấu trúc một hệ thống thông tin vệ tinh............................................13 1.1.6 Đa truy nhập......................................................................................16 1.2 Tổng quan về vô tuyến nhận thức............................................................21 1.2.1 Định nghĩa vô tuyến nhận thức..........................................................21 1.2.2 Hoạt động của vô tuyến nhận thức....................................................23 1.2.3 Các chức năng chính của mạng vô tuyến nhận thức..........................26 1.2.4 Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức............................................27 1.2.5 Mô hình hệ thống của mạng vô tuyến nhận thức...............................28 1.2.6 Kết luận chương 1..............................................................................37 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG MẠNG MẶT ĐẤT TRONG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG MẶT ĐẤT – VỆ TINH TRONG TRUYỀN THÔNG ĐA PHƯƠNG TIỆN............................................................................38 2.1 Các cấu trúc mạng mặt đất dùng trong thông tin vệ tinh.........................38 2.1.1 Giới thiệu chung về cấu trúc hệ thống thông tin mạng mặt đất.........38 2.1.2. Các cấu trúc mạng mặt đất trong TTVT...........................................41 2.2 Tích hợp hệ thống vệ tinh và mặt đất trong truyền thông đa phương tiện tương lai................................................................................................46 2.2.1 Vai trò của vệ tinh trong tương lai.....................................................47 2.2.2 Xu hướng công nghệ và mạng mặt đất trong tương lai.....................52 2 2.2.3 Cấu trúc hệ thống và các vấn đề về công nghệ..................................55 2.3 Kết luận chương 2....................................................................................59 CHƯƠNG 3: VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CHO HỆ THỐNG LAI GHÉP GIỮA MẠNG THÔNG TIN VỆ TINH VÀ MẠNG MẶT ĐẤT...................................61 3.1 Tổng quan về hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất....................................61 3.1.1 Giới thiệu...........................................................................................61 3.1.2 Khái niệm về Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất.............................61 3.1.3 Động cơ chính cho Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất....................62 3.1.4 Các kịch bản mạng cho các hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất........63 3.1.5 Các chức năng mạng của hệ thống lai ghép vệ tinh-mặt đất.............70 3.1.6 Các kỹ thuật nâng cao hiệu suất cho các hệ thống lai ghép vệ tinh mặt đất...........................................................................................73 3.1.7 Vệ tinh-UMTS hoặc S-UMTS - Kịch bản triển khai trong tương lai của Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất........................................74 3.1.8 Các ví dụ về mạng lưới các Hệ thống vệ tinh-Hybrid Hybrid...........75 3.1.9 Xu hướng hiện tại và tương lai đối với hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất..................................................................................................78 3.2 Vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất.......................................................79 3.2.1 Giới thiệu về Vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất...........................79 3.2.2 Kế hoạch áp dụng..............................................................................81 3.2.3 Nhận thức trong hệ thống vệ tinh và mặt đất.....................................84 3.2.4 Vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất.................................................86 3.2.5 Tái sử dụng phổ trong miền không gian 3D với CSTR.....................91 3.3 Kết luận chương 3....................................................................................94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................95 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................96 3 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ADC ADSL AGC AS AWGN BER BSC BSS BTS BWA CDMA CDN CR CSTR DAB FCC FDMA FEC FSS GEO GPRS GPS GSM HAP HSTS IEEE IF IMR IPTV Analog-to-digital converter Mạch chuyển đổi tương tự ra số Asymmetric Digital Subscriber Đường dây thuê bao số không Line đối xứng Automatic gain control Điều khiển độ lợi tự động Adaptive system Hệ thống thích nghi Additive White Gaussian Tạp âm Gausse trắng cộng sinh Noise Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit Base Station Controller Bộ điều khiển trạm gốc Broadcast Satellite Services Dịch vụ Vệ tinh Quảng bá Base Transceiver Station Trạm thu phát sóng di động Broadband wireless access Truy nhập không dây băng thông rộng Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã Content Delivery Network Mạng lưới phân phối nội dung Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức Cognitive Satellite Terrestrial Vô tuyến nhận thức vệ tinh Radios mặt đất Digital audio broadcasting Công nghệ phát thanh kỹ thuật số Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo Access tần số Frequency Division Multiple Đa truy nhập phân chia theo Access tần số Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi trước Fixed Satellite Services Dịch vụ vệ tinh cố định Geostationary satellite Vệ tinh địa tĩnh General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn cầu High altitude platforms Tầng cao độ Hybrid Satellite Terrestrial Hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt System đất Institute of Electrical and Viện kỹ nghệ Điện và Điện tử Electronics Engineers Intermediate Frequency Tần số trung tần Intermediate Module Repeater Bộ lọc mô-đun trung gian Internet Protocol Television Truyền hình giao thức Internet 4 ISU ITK ITU LAN LNA MANET MBMS MIH MSS OFDM P2P PAN PLL PLMN PSTN PU QID QoS RAN RCS REM RF RNC SD S-DMB SDR SI SI-SAP S-RAN STC SU S-UMTS Incumbent spectral users Interference temperature knowledge International Telegraph Union Local Area Network Low Noise Amplifier Mobile Ad-hoc Networks Multimedia Broadcast/Multicast Services Media Independent Handovers Mobile Satellite Services Orthogonal Frequency Division Multiplexing Peer-to-Peer Personal area networks Phase-locked loop Public Land Mobile Network Public Switched Telephone Network Primary User Queue IDentifiers Quality of Service Regional area network Return channel via satellite Radio Environment Maps Radio Frequency Radio Network Controller Satellite Dependent Satellite digital multimedia broadcasting Software Defined Radio Satellite-Independent Satellite Independent - Service Access Point Satellite Radio Access Network Space-time Coding Secondary User Satellite component of the Người sử dụng phổ tần chính Nhận biết độ nhiễu Tổ chức viễn thông quốc tế thuộc Liên hiệp quốc Mạng máy tính cục bộ Bộ khuếch đại tạp âm thấp Mạng tùy biến di động Hệ thống dịch vụ Quảng bá/ Multicast đa phương tiện Truyền hình độc lập Dịch vụ Vệ tinh Di động Công nghệ ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Mạng ngang hàng Mạng các nhân Vòng khóa pha Mạng di động mặt đất công cộng Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Người dùng chính Trình xác minh hàng chờ Chất lượng dịch vụ Mạng khu vực Kênh nhận thông qua vệ tinh Bản đồ môi trường vô tuyến Tần số vô tuyến Bộ điều khiển thông tin di động thế hệ 3 Vệ tinh phụ thuộc Vệ tinh kỹ thuật số quảng bá đa phương tiện Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm Vệ tinh độc lập Điểm Truy cập Dịch vụ Vệ tinh độc lập Mạng Truy cập Vô tuyến vệ tinh Mã hóa không-thời gian Người dùng thứ cấp Thành phần Vệ tinh của Hệ 5 UWB VCO Universal Mobile Telecommunication System Time Division Multiple Access Television Receiver Only Universal Mobile Telecommunication System Ultra-Wideband Vol Cotrol OSC VOD VSAT Video On Demand Very Small Aperture Terminal WRAN Wireless Regional Areas Network Wireless World Research Forum TDMA TVRO UMTS WWRF thống Viễn thông Di động Toàn cầu Đa truy nhập phân chia theo thời gian Truyền hình chỉ thu Hệ thống viễn thông di động toàn cầu Băng siêu rộng Bộ dao động điều khiển bằng điện áp Video theo yêu cầu Trạm thông tin vệ tinh - mặt đất cỡ nhỏ Mạng không dây khu vực Diễn đàn Nghiên cứu Thế giới Không dây 6 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sự phát triển của vệ tinh di động..................................................4 Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống tích hợp khả thi.............................................10 Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh...................................................12 Hình 1.4: Cấu trúc hệ thống thông tin vệ tinh...........................................14 Hình 1.5 Sơ đồ khối chức năng của bộ phát đáp đơn giản........................15 Hình 1.6: Cấu hình của một trạm mặt đất.................................................16 Hình 1.7: Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA)............................17 Hình 1.8: Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).......................18 Hình 1.9: Đa truy nhập phân chia theo mã ( CDMA )..............................19 Hình 1.10: Minh họa hố phổ.....................................................................24 Hình 1.11: Các hoạt động chính của mạng vô tuyến nhận thức................25 Hình 1.12: Các chức năng giao tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức.......26 Hình 1.13: Kiến trúc vật lí của vô tuyến nhận thức.................................28 a) Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức.................................30 Hình 1.14: Mô hình nút trong mạng vô tuyến nhận thức..........................31 Hình 1.15: Minh họa sự ảnh hưởng của phạm vi truyền dẫn của người dùng chính và người dùng phụ.......................................................31 Hình 1.16: Sơ đồ khối của nút trong vô tuyến nhận thức........................32 b) Mô hình tổng thể của mạng Vô tuyến nhận thức............................32 Hình 1.17: Mô hình kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức...........................33 c) Hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức.......................................35 Hình 1.18: Mạng Vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng tần cấp phép. 36 Hình 1.19: Mạng vô tuyến nhận thức hoạt động trên băng không cấp phép ........................................................................................................36 Hình 2.2: Đường lên và đường xuống.......................................................43 Hình 2.3 Cấu trúc mạng hình sao..............................................................43 Hình 2.4 Cấu trúc mạng hình mạng lưới...................................................43 Hình 2.5 Cấu hình mạng hỗn hợp.............................................................45 Hình 2.6 Sự phát triển của hệ thống viễn thông........................................47 7 Hình 2.7 Các dịch vụ vệ tinh và vùng phủ sóng.......................................51 Hình 2.8 Bước tiến từ các dịch vụ đơn sang đa dịch vụ trên nền IP.........52 Hình 2.9: Mạng lưới phân tầng.................................................................54 Hình 3.1: Cấu trúc lai ghép với mạng vệ tinh DVB-S2 / RCS cùng mạng mặt đất WiMAX.............................................................................62 Hình 3.2: Liên kết vệ tinh một chiều được thực hiện trong mạng mặt đất cho thiết bị di động người dùng.....................................................64 Hình 3.3: Liên kết vệ tinh một chiều dùng trong mạng mặt đất cho đầu cuối cố định....................................................................................65 Hình 3.4: Liên kết vệ tinh hai chiều triển khai trong mạng mặt đất cho thiết bị di động người dùng............................................................66 Hình 3.5: Liên kết vệ tinh hai chiều dùng trong mạng mặt đất cho đầu cuối cố định....................................................................................67 Hình 3.6: Backhaul của các dịch vụ di động sử dụng phân đoạn vệ tinh trong hệ thống lai ghép...................................................................68 Hình 3.7 Cấu trúc lai ghép vệ tinh - mặt đất với MANET........................68 Hình 3.8 Cấu trúc lai ghép sử dụng phân đoạn vệ tinh để kết nối nhóm BTS với BSC hoặc tập hợp lưu lượng từ BSC đến MSC trong trường hợp PLMN..........................................................................69 Hình 3.9: Vệ tinh dựa trên Mạng lưới cung cấp nội dung CDN...............70 Hình 3.10 Kỹ thuật tích hợp đa dạng trong hệ thống lai ghép..................73 Hình 3.11: Cấu trúc S-UMTS tham khảo..................................................75 Hình 3.12: Hệ thống IEEE 802.22 RAN dựa trên hệ thống HSTS với Vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất...................................................82 Hình 3.13: UWB PAN dựa trên HSTS với các đài vô tuyến nhận thức vệ tinh - mặt đất siêu băng rộng:........................................................82 Hình 3.14: Chu kỳ nhận thức....................................................................86 Hình 3.15: Mô hình chung của Vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất..............................................................................87 Hình 3.16 Mô hình cảm biến phổ 3D dựa theo trạm mặt đất....................91 Hình 3.17. Các đặc tuyến bổ sung ROC cho việc sử dụng lại tần số không gian 3D, và dò ISU trên mặt đất dựa trên độ cao ISU....................92 Hình 3.18 Các đặc tuyến ROC bổ sung cho việc sử dụng lại tần số không gian 3D, trong việc dò ISU trên mặt đất dựa trên độ cao vệ tinh...93 8 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Tóm tắc ưu điểm và nhược điểm của các hệ thống đa truy nhập khác nhau Bảng 2.1 Các cấu trúc mạng cơ bản trong thông tin Bảng 3.1: So sánh xu hướng Công nghệ lai ghép Vệ tinh - mặt đất qua từng thời điểm 1 LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, với sự bùng nổ của công nghệ, điện thoại thông minh, mạng xã hội, nhu cầu chia sẻ dữ liệu, hình ảnh, video… gia tăng nhanh chóng gây ra áp lực rất lớn về lưu lượng trên các hệ thống truyền tải. Cùng với việc dải tần ngày càng bị thu hẹp do nhiều dịch vụ mới được cấp phép dẫn đến yêu cầu phải tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần số. Hiện tại, các hệ thống thông tin vô tuyến được áp dụng chính sách cấp phát tần số cố định. Theo đó, các ứng dụng khác nhau được cấp phép với những dải tần số (băng thông) đã được hoạch định sẵn bởi cơ quan quy hoạch phổ tần Quốc gia. Việc cấp phép dải tần cố định này đảm bảo người dùng dịch vụ ở dải tần này không gây can nhiễu đến những người dùng ở dải tần khác. Tuy có nhiều ưu điểm nhưng nhược điểm lớn nhất của phương pháp cấp phát tần số cố định là không tận dụng được tối đa tài nguyên băng thông. Theo Ủy ban truyền thông liên bang Hoa Kì – FCC hiệu suất sử dụng dải tần số đã được cấp phép chỉ khoảng 15-85% trên phổ tần khả dụng. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết đó là phát triển một công nghệ vô tuyến mới có khả năng nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần, tránh lãng phí tài nguyên tần số. Công nghệ Cognitive Radio (vô tuyến nhận thức) được phát triển để đáp ứng nhu cầu trên. Hệ thống vô tuyến nhận thức bằng những kỹ thuật riêng của mình sẽ khai thác các dải thông có thời điểm bị bỏ trống để cung cấp băng thông cho các dịch vụ vô tuyến thông qua kiến trúc mạng tiên tiến, mềm dẻo và khả năng truy cập phổ tần linh hoạt. Cùng với hệ thống lại ghép vệ tinh - mặt đất, việc ngày càng sử dụng các thiết bị thông minh và tăng tải trên mạng mặt đất để cung cấp các dịch vụ dữ liệu băng thông cao cùng với các dịch vụ thoại, các hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất có thể được sử dụng hiệu quả và nâng cao hiệu suất sử dụng mạng thông tin vệ tinh để phục vụ cho nhu cầu càng ngày càng tăng. Ngoài ra, các vấn đề trong việc phủ sóng ở mọi nơi, thậm chí ở các vùng sâu vùng xa, với sự hoàn chỉnh các dịch vụ sẵn có ở khu vực thành thị, có thể có xu hướng sử dụng các hệ thống lai ghép. Vì vậy, vô tuyến nhận thức hoạt động trên nền hệ thống vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm, đặc biệt là khi tích 2 hợp với hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất, hứa hẹn là một trong những công nghệ đầy triển vọng, phù hợp với tiến trình phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến Đồ án “Nghiên cứu kỹ thuật vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép giữa mạng thông tin vệ tinh và mạng mặt đất” với mục đích nghiên cứu tìm hiểu ứng dụng của vô tuyến nhận thức trong các hệ thống lai ghép vệ tinh - mặt đất. Từ đó làm tiền đề phục vụ cho công tác sau này. Đồ án đước chia làm 3 chương: Chương 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh và kỹ thuật vô tuyến nhận thức Chương 2: Hệ thống mạng mặt đất trong thông tin vệ tinh và tích hợp hệ thống mặt đất – vệ tinh trong truyền thông đa phương tiện Chương 3: Vô tuyến nhận thức cho hệ thống lai ghép giữa mạng thông tin vệ tinh và mạng mặt đất 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VỆ TINH VÀ KỸ THUẬT VÔ TUYẾN NHẬN THỨC 1.1 Tổng quan về hệ thống thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh mới chỉ xuất hiện trong hơn bốn thập kỷ qua nhưng đã phát triển rất nhanh chóng trên thế giới cũng như trong nước ta, mở ra một thời kỳ phát triển mới cho sự phát triển trong mội lĩnh vực khoa học - đời sống nói chung và đặc biệt trong ngành viễn thông nói riêng. Sau đây, chúng ta cùng nhau đi tìm hiểu về lịch sử phát triển, đặc diểm, cũng như cấu trúc tổng thể và nguyên lý hoạt động của thông tin vệ tinh. 1.1.1 Sự ra đời của các hệ thống thông tin vệ tinh Thông tin vô tuyến qua vệ tinh là thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông và mục tiêu của nó là gia tăng về mặt cự ly và dung lượng với chi phí thấp, kết hợp sử dụng hai kĩ thuật tên lửa và vi ba đã mở ra kỷ nguyên thông tin vệ tinh. Dịch vụ được cung cấp theo cách này bổ sung một cách hữu ich cho các dich vụ mà trước đó độc nhất chỉ do các mạng ở dưới đất cung cấp, sử dụng vô tuyến và cáp. Kỉ nguyên vũ trụ được bắt đầu vào năm 1957 với việc phóng vệ tinh nhân tao đầu tiên (vệ tinh Sputnik của Liên Xô cũ). Những năm tiếp theo các vệ tinh khác cũng lần lượt được phóng như SCORE phát quảng bá (năm 1958), vệ tinh phản xạ ECHO(1960), các vệ tinh chuyển tiếp băng rộng TELSTAR và RELAY (1962) và vệ tinh địa tĩnh đầu tiên là SYNCOM (1963) Trong năm 1965 vệ tinh địa tỉnh thương mại đầu tiên INTELSAT-1 đánh đấu sự mở đầu cho hàng loạt các vệ tinh INTELSAT. Cùng năm đó, Liên Xô cũ cũng đã phóng vệ tinh truyền thông đầu tiên trong loạt vệ tinh truyền thông MOLNYA. 1.1.2 Lịch sử phát triển của các hệ thống vệ tinh: 4  Hệ thống vệ tinh di động Hình 1.1 Sự phát triển của vệ tinh di động. Hình 1.1 thể hiện một số mốc quan trọng và các hệ thống vệ tinh di động chính (MSSs) từ đó mà ra. Điều thú vị mà ta cần lưu ý, đó là INMARSAT bắt đầu có mặt cùng khoảng thời gian với các nhà khai thác di động đầu tiên cung cấp các dịch vụ tương tự thế hệ đầu. Trong giai đoạn đầu, INMARSAT cung cấp các dịch vụ thoại và tốc độ dữ liệu thấp cho các thị trường hàng hải trên các tàu lớn trong dải L sử dụng vệ tinh phủ sóng toàn cầu. Trong giai đoạn 1990-1991, INMARSAT đã bổ sung các dịch vụ hàng không cho máy bay chở khách và một số loại xe, với việc giới thiệu các vệ tinh có công suất cao hơn. Điều này đã được thực hiện trong năm 1997-1998 với hoạt động trên toàn thế giới trong MSSs và giới thiệu phân trang, chuyển hướng, tăng chỉ số cho máy tính đầu cuối. INMARSAT đã tập trung vào việc sử dụng các vệ tinh địa tĩnh (GEO), và vào giữa những năm 1990, một số hệ thống GEO khu vực nổi lên trong cạnh tranh (ví dụ, OMNITRACS, EUTELTRACS, AMSC và OPTUS) tập trung vào các phương tiện giao thông đường bộ và sử dụng cả hai băng L và Ku . Đây chỉ 5 là những thành công mang tính tương đối, trong khi INMARSAT đã xây dựng được cơ sở khách hàng của mình lên khoảng 250.000. Nghiên cứu chính trong những năm cuối thập niên 80 và đầu những năm 90 hướng tới các chòm sao tín hiệu không phải là GEO, chủ yếu để tạo điều kiện cho liên kết ngân sách và giảm sự chậm trễ cho các dịch vụ thoại tới các thiết bị đầu cuối cầm tay, điều này cho thấy quỹ đạo thấp trái đất (LEO) và quỹ đạo thường (MEO) dựa trên chòm sao tín hiệu từ 10-66 vệ tinh để phủ sóng toàn cầu. Lúc này, IRIDIUM và GLOBALSTAR đã bắt đầu triển khai dịch vụ, nhưng đã quá muộn để cạnh tranh với sự lan rộng của GSM về phủ sóng mặt đất và về kinh doanh, thay vì các nền công nghệ đã đi vào “Chương 11 của sự phá sản” vào đầu những năm 2000. Bài học rút ra, đó là các chòm sao tín hiệu quá đắt, lên đến 10 tỷ USD để triển khai, trừ khi thị trường có sự tăng trưởng ban đầu lớn để cung cấp khả năng hoàn vốn nhanh. Cả hai hệ thống hiện nay đều đang tồn tại, nhưng ít khách hàng hơn dự kiến. (Orbcomm, một nhà cung cấp chủ yếu các thiết bị đầu cuối cố định LEO, cũng đã chịu số phận tương tự). ICO - hệ thống MEO được đề xuất, cũng đã trình làng một vệ tinh trước khi nhận ra rằng việc kinh doanh này không thành công. Để giúp phát triển ngành công nghiệp vệ tinh di động trong tương lai, một Tổ chức Hệ thống di động Vệ tinh Cao cấp Châu Âu (ASMS-TF) được thành lập vào năm 2001, và ngày nay hoạt động trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển, tiêu chuẩn và các vấn đề về quản lý [12]. Vào giữa những năm 1990, các siêu vệ tinh GEO lớn hơn được đề xuất với công suất 5 kW và 100-200 điểm thay vì các thế hệ trước của GEO với công suất 3-4 kW và 5-10 điểm. Một số hệ thống như vậy đã được đề xuất, nhưng một trong những hệ thống đã thành công để bước vào thị trường vào đầu những năm 2000 là THURAYA, dựa trên tiêu chuẩn GMR-1 của Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI), cung cấp các dịch vụ GSM và Gói Dịch vụ Tổng Đài vô tuyến (GPRS) Châu Á và một phần của châu Âu. 6 Dù mới chỉ ở những ngày đầu tiên, những hệ thống siêu vệ tinh GEO này dường như đã thành công khi tìm kiếm một vị trí thích hợp với thị trường khách du lịch, xe tải và các khu vực mà di động mặt đất rất đắt tiền để triển khai. Trong khi đó, INMARSAT đang cung cấp siêu vệ tinh GEO của riêng mình, INMARSAT IV (lần đầu tiên ra mắt vào quý I năm 2005) để thực hiện các dịch vụ số hiện có từ 64 đến 432 kb /; từ mạng diện rộng (GAN) đến Băng thông rộng GAN (BGAN). Mặc dù các nhà khai thác đã có bước di chuyển từ di động mặt đất sang CDMA, INMARSAT đã tiếp tục phát triển hệ thống TDMA, nhưng cung cấp các dịch vụ dựa trên gói 3G tương đương Vì vậy, các bài học kinh nghiệm từ vệ tinh di động là: • Các chòm sao quỹ đạo LEO và elip (HEO) được cho là quá đắt để cạnh tranh với GEO hoặc các hệ thống di động, vì vậy thị trường đã quay lại với GEO. • Vệ tinh về phương diện kinh tế chỉ có thể cung cấp các dịch vụ thích hợp cho các khu vực không thể tiếp cận với dịch vụ di động; do đó, đối với các dịch vụ thị trường đại chúng cần phải có sự tích hợp, chứ không phải để cạnh tranh, mà là để tích hợp với di động. • Chọn dịch vụ phù hợp nhất với cơ cấu phân chia vệ tinh. • Sử dụng thuộc tính phủ sóng rộng của vệ tinh. Dựa vào các yếu tố trên, hệ thống Vô tuyến truyền hình số vệ tinh đa phương tiện (S-DMB) đã được đề xuất trong các dự án của Liên minh Châu Âu (EU) SATIN [10], MoDiS [13] và MAESTRO [14] để cung cấp các dịch vụ MBMS cho người sử dụng trong vùng phủ sóng di động mặt đất cũng như bên ngoài. Hệ thống S-DMB được đề xuất chủ yếu tập trung vào các dịch vụ phân phối nội dung hoặc dịch vụ push type, nơi nội dung được đẩy tới các thiết bị đầu cuối, bất cứ khi nào các tài nguyên có sẵn và được lưu trữ trong bộ nhớ cache cục bộ để phục hồi sau này. Cấu trúc được đặc trưng bởi các bộ đệm khe hở hoặc bộ lặp mô đun trung gian (IMR) nằm ở các trạm cơ sở 3G chỉ định, phát tín 7 hiệu MBMS trên đất liền trong dải MSS liền kề, để cho phép thâm nhập vào khu vực đô thị và đô thị. Một khái niệm tương tự đã được thông qua trong hệ thống MBSAT [15] hiện đang hoạt động tại Nhật Bản và Hàn Quốc, nơi mà xu hướng dịch vụ là truyền hình di động hơn là nội dung video. Các hệ thống này có sự cạnh tranh từ MBMS trong 3G và từ DVB-H, nhưng cung cấp một thị trường với cơ hội thực sự mới cho vệ tinh, và quan trọng nhất là việc phân phối hệ thống chuẩn đầu tiên. Các hệ thống DAB thông qua vệ tinh S-DAB (DARS ở Hoa Kỳ) cũng nên được đề cập trong bối cảnh này, vì truyền thanh vô tuyến là một ví dụ khác về phân chia nội dung. Ý tưởng này được nảy ra khoảng từ năm 1990, khi CD radio đầu tiên được trình lên tại Hoa Kỳ. Một số hệ thống đã được đề xuất bởi các tiêu chuẩn S-DAB được sản xuất với WORLDSPACE [16] vào giữa những năm 1990, có lẽ là đối thủ hàng đầu với vệ tinh của nó bao gồm Châu Á, Caribê và Châu Mỹ. Dịch vụ phát thanh quảng bá số mặt đất T-DAB đã không được lan rộng, với mạng lưới U.K. giới hạn có thể được phát triển tốt nhất. Tại Hoa Kỳ, vào đầu những năm 2000, hai hệ thống thương mại bắt đầu hoạt động: Đài XM sử dụng vệ tinh GEO, và vệ tinh vô tuyến SIRIUS sử dụng vệ tinh HEO. Cả hai hệ thống đều bổ sung khoảng cách mặt đất theo cách tương tự với hệ thống được đề xuất bởi SDMB và MBSAT. Việc sử dụng các vệ tinh HEO rất thú vị, vì chúng được phủ sóng tốt hơn ở khu vực đô thị do góc độ cao hơn và giảm số lượng các khoảng trống cần thiết. Hiện tại XM có khoảng 3,5 triệu khách hàng, còn SIRIUS có 1,5 triệu khách hàng tại Hoa Kỳ. Khi chúng ta xem xét băng rộng di động trong vệ tinh, thị trường chính dành cho phương tiện chở khách (máy bay [17], tàu thủy và tàu hỏa) ngoại trừ hệ thống INMARSAT BGAN, nơi có nhiều khách hàng hơn có thể sử dụng dịch vụ băng thông. Dịch vụ Connexions của Boeing (CBB) [18] bắt đầu khai thác các đường truyền băng thông với máy bay vào năm 2002 và hiện đang theo đuổi 8 các thị trường khai thác hàng hải. Công nghệ ở đây tương tự như mô hình cực nhỏ (VSAT) với sự phân bố trong phương tiện. CBB đã lắp đặt đầu cuối với một số hãng hàng không. Các hệ thống VSAT đã bắt đầu hoạt động kinh doanh dầu ngoài khơi nhưng nhanh chóng mở rộng sang các tàu du lịch biển và các nhà khai thác lòng biển, sử dụng băng tần Ku và cung cấp các dịch vụ thương mại, kỹ thuật và điều hướng cho hành khách và phi hành đoàn. Một số nhà khai thác vệ tinh thực hiện các dịch vụ như vậy. Sự mở rộng cũng có thể được thực hiện đối với phương tiện giao thông đường bộ, và các dự án về chương trình khung của EU 6 (FP6) DRIVE / OVERDRIVE [19] và FIFTH [20] đã nghiên cứu thị trường xe lửa / xe tải / xe hơi. Các chương trình băng rộng nói chung vẫn còn bị ảnh hưởng từ hiệu quả sử dụng khả năng vệ tinh kém, gây ra tốn kém. Một giải pháp cho điều này nằm xung quanh việc giới thiệu tiêu chuẩn DVB-S2 mới vào năm 2003 [21]. Về cơ bản là nhằm vào các hệ thống cố định, kết hợp các chương trình mã hoá và điều chế thích ứng (ACM), khi hoạt động kết nối với kênh vệ tinh phát đáp (RCS), cho phép tối ưu hóa các thông số truyền cho mỗi kết nối riêng lẻ phụ thuộc vào điều kiện đường dẫn. Một loạt các chương trình điều chế khóa chuyển pha PSK và PSK thích ứng (APSK) và mã LDPC cung cấp tối ưu hóa gói theo gói để đáp ứng khi gặp phải các điều kiện kênh thay đổi bất lợi. Tiêu chuẩn mới cho phép một loạt các đầu vào dữ liệu bao gồm cả IP. Kết hợp sơ đồ ACM DVB-S2 với các vệ tinh đa băng Ka và link hồi đáp DVB-RCS, công suất vệ tinh hiện tại có thể tăng thêm 10 lần hoặc nhiều hơn. Bước tiếp theo là giới thiệu tính di động vào tiêu chuẩn, sau đó sẽ cho phép sử dụng cho kết nối băng thông đa phương tiện di động như đã đề cập ở trên.  Hệ thống vệ tinh cố định Các hệ thống vệ tinh cố định vẫn tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong mạng lõi, mà trên cơ sở điểm – điểm vẫn có thể cạnh tranh với các liên kết mặt đất ở một số khu vực có phủ sóng và giảm cơ sở hạ tầng là những lợi thế. Các nhà khai thác vệ tinh quốc tế lớn như INTELSAT, SES GLOBAL, và 9 EUTELSAT vẫn là những doanh nghiệp hoạt động hiệu quả. Điều thú vị cần lưu ý là các mô hình kinh doanh của họ đã phát triển; họ đã chuyển từ trạng thái IGO sang các công ty tư nhân. Họ đã chuyển từ bán băng thông sang bán các kết nối dịch vụ - từ megahertz đến megabit mỗi giây - và bây giờ họ có tài sản gồm cơ sở hạ tầng cũng như các vệ tinh. Ngành công nghiệp đã phát triển rất vừa phải, và phần lớn các vệ tinh vẫn là loại phát đáp trong suốt hoạt động ở các băng tần C, Ku và Ka, nhưng với các chùm tia ngày càng phức tạp. Ống kỹ thuật số vẫn là thành công lớn sử dụng truy cập đa tần số (FDMA), với TDMA và chuyển mạch kênh TDMA (SS-TDMA) nhưng chưa thực sự bắt kịp. Vệ tinh vẫn giữ được thể loại rõ ràng, trừ một số vệ tinh quảng bá truyền hình kỹ thuật số đã chấp nhận chuyển mạch onboard giới hạn. Quá trình xử lý toàn bộ trên bo mạch đã được xem là quá rủi ro do thiếu tính linh hoạt của phân bổ kênh và tốc độ bit. Mặt khác, lưu lượng truy cập đã thay đổi, với IP bây giờ là một tỷ lệ phần trăm lớn của toàn bộ thông qua các ISP. Vệ tinh vẫn giữ được công suất từ thấp đến trung bình, điều đó có nghĩa là hiệu quả sử dụng phổ tần vô tuyến vẫn thấp so với các hệ thống mặt đất. Như với di động, chúng ta đã thấy các vệ tinh cố định phát triển riêng biệt với mặt đất trong cả hai tiêu chuẩn và các nhà khai thác nếu không có sự cung cấp tích hợp. Sự thành công của các tiêu chuẩn DVB-S / S2 ở châu Âu cũng đã dẫn tới các hệ thống hai chiều kết hợp VSATs với hệ thống RC hay băng Ku hoặc Ka. Đây được coi là những cách khác để cung cấp các dịch vụ IP và kết hợp các mạng lưới. Tuy nhiên, hiệu quả của việc phân phối IP vẫn còn thấp so với mặt đất, nơi DSL không đối xứng (ADSL) vẫn chiếm ưu thế ở các nước phát triển. Mạng VSAT ở Châu Âu chưa thực sự cất cánh như mong đợi và chưa đạt được quy mô hoặc khối lượng của các đối tác Hoa Kỳ; chi phí và hiệu quả là những lý do chính. Vùng cuối cùng của việc sử dụng các vệ tinh cố định là trong truy cập băng rộng, nơi phạm vi phu sóng và tốc độ thực hiện đã được khỏa lấp. Các khu vực nông thôn và ngoại thành trên khắp châu Âu và đặc biệt ở Đông Âu là 10 những vùng mà các thiết bị đầu cuối vệ tinh đã được triển khai rộng rãi cho đến thời điểm này. Tuy nhiên, khi ADSL được triển khai dần dần ở các quốc gia phát triển hơn, chi phí lớn hơn cho vệ tinh không thể cạnh tranh được. Có nhiều thảo luận về khoảng cách kỹ thuật số (hay khoảng cách thiếu thốn), và không còn nghi ngờ gì về việc các khu vực rộng lớn của châu Âu sẽ không được phủ sóng bởi các hệ thống mặt đất rẻ hơn. Tuy nhiên, nó sẽ có ý nghĩa chính trị để giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng vệ tinh, vì rất khó để xem làm thế nào chỉ với kinh tế thuần túy, sẽ có thể hỗ trợ chuyển giao vệ tinh. Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống tích hợp khả thi Vì vậy, thông điệp dành cho các hệ thống vệ tinh cố định trong tương lai là: • Tích hợp nhiều hơn với các hệ thống mặt đất, vì vệ tinh không thể cạnh tranh ở các khu vực đô thị / ngoại thành, nhưng hiệu quả hơn ở các vùng nông thôn. Thông qua các tiêu chuẩn tương thích sẽ cho phép các thiết bị rẻ hơn và cung cấp linh hoạt. 11 • Tăng hiệu quả hệ thống. Để giảm chi phí cho mỗi bit với các vệ tinh có công suất hạn chế, họ phải ứng dụng công nghệ tiên tiến trước các hệ thống mặt đất để đạt được hiệu quả cần thiết từ 50-100%. • Cần xử lý oanboard linh hoạt với số lượng chùm liên kết lớn, nghĩa là xoay quanh băng tần Ka và cao hơn. Xử lý onboard phải cho phép các kênh băng thông biến đổi được sử dụng dịch vụ linh hoạt. • Quy mô hệ thống của các vệ tinh nên nhỏ hơn và công suất cao hơn, để tránh những chi phí rất cao lên hệ thống. Các vệ tinh như vậy có thể kết nối với quỹ đạo, và mở rộng và định hình lại khi nhu cầu tăng lên. 1.1.3 Đặc điểm của thông tin vệ tinh Thông tin vệ tinh tuy ra đời muộn nhưng được phát triển nhanh chóng, bởi nó có nhiều lợi thế so với các hệ thống truyền thông khác, đó là:  Vùng phủ sóng rộng, chỉ cần ba vệ tinh là có thể phủ sóng toàn cầu.  Thiết bị phát sóng của hệ thống thông tin vệ tinh chỉ cần công suất nhỏ.  Việc lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống thông tin vệ tinh trên mặt đất tương đối nhanh chóng, không phụ thuộc vào cấu hình mạng cũng như hệ thống truyền dẫn.  Hệ thống thông tin vệ tinh có thể phục vụ nhiều dịch vụ khác nhau như viễn thông thoại và phi thoại, thăm dò địa chất, truyền hình ảnh, quan sát mục tiêu, nghiên cứu khí tượng, phục vụ quốc phòng an ninh…  Thông tin vệ tinh rất ổn định. Đã có nhiều trường hợp bão to, động đất mạnh làm cho các phương tiện truyền thông khác mất tác dụng chỉ còn duy nhất thông tin vệ tinh hoạt động.  Các thiết bị đặt trên vệ tinh có thể tận dụng năng lượng mặt trời để cung cấp điện hầu như ngày lẫn đêm. Tuy vậy thông tin vệ tinh cũng có một số nhược điểm đó là:  Kinh phí ban đầu để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo khá lớn.  Bức xạ của sóng vô tuyến trong thông tin vệ tinh bị tổn hao lớn trong môi trường truyền sóng. 1.1.4 Các dạng quỹ đạo của vệ tinh Quỹ đạo của vệ tinh là hành trình của vệ tinh trong không gian mà trong đó vệ tinh được cân bằng bởi hai lực đối nhau. Hai lực đó là lực hấp dẫn của trái 12 đất và lực ly tâm được hình thành do độ cong của hành trình vệ tinh. Quỹ đạo vệ tinh có 3 thông số quan trọng đó là: khoảng cách từ vệ tinh đến mặt đất, hình dạng và góc nghiêng so với mặt bình độ. Một thông số chung của nó là mặt phẳng chuyển động của vệ tinh phải đi qua tâm trái đất. quỹ đạo của vệ tinh nằm trên một mặt phẳng có thể là hình tròn hoặc hình elip. Nếu quỹ đạo là hình tròn thì tâm của quỹ đạo tròn trùng với tâm của trái đất. Hình 1.3: Các dạng quỹ đạo của vệ tinh Nếu quỹ đạo là hình elip thì có một đầu nằm xa trái đất nhất gọi là viễn điểm (apogee) và đầu gần trái đất nhất gọi là cận điểm (perigee ) Quỹ đạo thông dụng hiện nay của vệ tinh là những dạng quỹ đạo sau đây a) Các quỹ đạo hình elip: Loại quỹ đạo này đảm bảo phủ sóng các vùng vĩ độ cao dưới một góc ngẩng lớn. góc ngẩng lớn là đặc biệt cần thiết trong những ứng dụng như - Giảm thiểu việc chặn các tia do sự che khuất vệ tinh của các cao ốc và cây cối - Việc bám vệ tinh được dễ dàng hơn. - Giảm bớt được tạp âm mà anten trạm mặt đất thu nhận do can nhiễu từ các hệ thống thông tin vô tuyến dưới mắt đất.