ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LẠI QUANG HƯNG Điều khiển công suất và tốc độ thích nghi
trong thông tin vệ tinh băng KA
luËn v¨n th¹c sÜ
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG
Hµ néi - 2006
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
Mục lục
Mục lục 1
bảng Các chữ viết tắt 3
Mở ĐầU 5
Chơng 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh 7
1.1. Lịch sử phát triển của thông tin vệ tinh 7
1.2. Các dạng quỹ đạo vệ tinh 9
1.2.1. Các nguyên lý về quỹ đạo 9
1.2.2. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh 11
1.3. Các băng tần làm việc của thông tin vệ tinh 13
1.3.1. Lựa chọn băng tần cho thông tin vệ tinh 13
1.3.2. Quy định băng tần cho thông tin vệ tinh 15
1.4. Các phơng pháp đa truy nhập trong thông tin vệ tinh 18
1.4.1. Đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) 18
1.4.2. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) 19
1.4.3. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA): 22
1.5. Cấu trúc của 1 hệ thống thông tin vệ tinh. 22
1.5.1. Phần không gian 23
1.5.2. Phần mặt đất 24
1.6. Các loại hình dịch vụ của thông tin vệ tinh 25
chơng 2: tính toán tuyến thông tin vệ tinh 27
2.1. Các thông số của anten 27
2.7.1. Phân cực trực giao 54
2.7.2. Suy hao 54
2.7.3. Phân tập không gian 55
2.7.4. Tơng thích 57
2.7.5. Kết luận 57
2.8. Tỷ số tín hiệu trên tạp âm đối với 1 tuyến (truy nhập đơn) 58
2.8.1. Kiểu bộ lặp 59
2.8.2 Biểu thức của (C/N
0
)
T
61
2.9. Xu thế thông tin vệ tinh 63
Chơng 3: Điều khiển công suất và tốc độ thích nghi
trong Thông tin vệ tinh băng Ka 65
3.1. Giới thiệu 65
3.2. Mô hình kênh v bộ ớc đoán kênh 67
3.3. Tốc độ v công suất thích nghi 68
3.3.1. Điều khiển công suất thích nghi 69
3.3.2. Điều khiển tốc độ thích nghi 75
3.4. Kết luận 80
kết luận 82
Phụ lục 84
Lại Quang Hng - K10D1 2
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
bảng Các chữ viết tắt
AR1 First order Auto Regressive Mô hình tự hồi quy bậc 1
ARMA Auto Regressive Moving Average Mô hình trung bình tự
động hồi quy
OBO Output Back Off Lùi đầu ra
PSK Phase Shift Key Khoá dịch pha
QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều biên cầu phơng
QPSK Quarter Phase Shift Key Khoá dịch pha cầu phơng
RHCP Right Hand Circular Polarization Phân cực tròn bên phải
SNR Signal to Noise Rate Tỷ số tín hiệu trên nhiễu
TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia
theo thời gian
TTVT Thông tin vệ tinh
TT&C Telematric Tracking and Control Đo xa, bám và điều khiển
VINASAT Vietnam Satellite Project Dự án vệ tinh Việt Nam
VSAT Very Small Aperture Terrminal Đầu cuối có góc mở nhỏ
XPD Cross - Polarisation Discriminaion Phân cực chéo
XPI Cross - Polarisation Isolation Cách ly phân cực chéo Lại Quang Hng - K10D1 4
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
Mở ĐầU
Trong những năm qua cùng với sự phát triển nh vũ bão của khoa học
và công nghệ, thông tin vệ tinh đã có những bớc phát tiển nhảy vọt. Do có
chất lợng dịch vụ. Khi a ra gii phỏp cho vn nghn ph, bng Ka cng
b suy hao do ma sõu c hng chc dB. Do vậy, đề tài Điền khiển công suất
và tốc độ thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka chính là đối tợng
nghiên cứu để nâng cao chất lợng đờng truyền trong điều kiện suy hao lớn.
Luận văn bao gồm những chơng sau:
Chơng 1: Tổng quan về thông tin vệ tinh
Chơng 2: Tính toán tuyến trong thông tin vệ tinh
Chơng 3: Điều khiển công suất và tốc độ thích nghi trong thông tin vệ tinh
băng Ka
Phụ lục: Giới thiệu chơng trình nguồn mô phỏng phơng pháp thích nghi
công suất và tốc độ trong băng Ka viết bằng Matlab 6.5.
Các vấn đề kỹ thuật liên quan đến đề tài là tơng đối rộng và là những
vấn đề khó nên luận văn chắc chắn sẽ còn nhiều sai sót. Do đó, tôi rất mong
nhận đợc ý kiến đóng góp, phê bình của các thầy cô giáo và bạn bè đồng
nghiệp để giúp tôi có thể hoàn thiện hơn nữa phần nghiên cứu của mình.
Trong thời gian thực hiện luận văn này, tôi đã nhận đợc nhiều sự hỗ trợ,
động viên và khuyến khích rất nhiều từ gia đình, các thầy cô và các đồng
nghiệp. Trớc hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Nguyễn
Viết Kính, ngời đã tận tình chỉ bảo tôi cách định hớng và giải quyết các vấn
đề để tôi có thể hoàn thành bản luận văn này. Bên cạch đó tôi cũng xin cảm ơn
Gia đình tôi đã luôn khuyến khích, động viên và tạo mọi điều kiện cho tôi yên
tâm hoàn thành khoá học và luận văn này. Tôi xin cảm ơn Các Thầy, Cô trong
khoa Điện tử Viễn Thông đã trang bị kiến thức cho tôi trong suốt thời gian
học. Và tôi cũng xin gửi lời biết ơn đến Phòng Thông tin vệ tinh và ứng dụng
công nghệ vũ trụ, Cục Thông tin liên lạc, Bộ Công an nơi tôi công tác, đã tạo
điều kiện về vật chất, thời gian cho tôi đợc theo học khoá học này. Cuối cùng
tôi xin cảm ơn các bạn học, các đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi trong quá trình học.
Hà Nội, ngày 15 tháng 9 năm 2006
Vệ tinh thơng mại đầu tiên của Intelsat đó tên là Earlybird đợc phóng
lên ở quỹ đạo địa tĩnh trên Đại tây dơng vào năm1965. Đó là thế hệ Intelsat
I. Do sự phát triển nhanh chóng các yêu cầu về dịch vụ thông tin qua vệ tinh,
Lại Quang Hng - K10D1 7
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
Intelsat đã phóng hàng loạt các vệ tinh địa tĩnh tiếp theo trên ba vị trí Thái
bình dơng, ấn độ dơng và Đại tây dơng để phủ sóng toàn cầu. Đó là các
thế hệ vệ tinh Intelsat I, II, III, IV, IV-A, V, V-A, VI, VII, VII-A, VIII, VIII-
A (tính đến tháng 1 năm 1996).
Việt Nam đã có trạm mặt đất Hoa Sen đầu tiên trong thập kỷ 70 tại Phủ
Lý - Nam Hà (cũ) thuộc hệ thống InterSputnic của Liên bang Nga cũ, sau giải
phóng Miền nam có thêm một trạm Hoa Sen ở thành phố Hồ Chí Minh. Các
trạm này chủ yếu thông tin thoại và truyền hình với các nớc XHCN cũ.
Trong thập kỷ 80 nớc ta tham gia tổ chức Intelsat và xây thêm các
trạm mặt đất mới làm việc với các vệ tinh của IntelSat. Thông tin vệ tinh đóng
một vai trò quan trọng trong mạng viễn thông Việt Nam trong đó khoảng
2050 kênh qua vệ tinh Intelsat và 30 kênh qua vệ tinh InterSputnic cho thông
tin quốc tế với khoảng 36 nớc trên thế giới cho các dịch vụ thoại, truyền
hình, phát thanh, truyền số liệu
Đài truyền hình Việt Nam đang thuê kênh của vệ tinh MEASAT và
THAICOM 3 để phát truyền giữa các đài trung ơng và đài địa phơng. Đài
tiếng nói Việt nam sử dụng vệ tinh PALAPA để phát thanh các chơng trình
quốc tế. Ngoài ra cục hàng không dân dụng, công ty dầu khí VietsoPetro đang
sử dụng vệ tinh cho nhu cầu thông tin của ngành mình.
Hệ thống VSAT FDMA/DAMA thuê vệ tinh của ASIASAT phục vụ
các vùng xa xôi hẻo lánh, hải đảo, các cá nhân, các tổ chức và các công ty có
nhu cầu thông tin trong nớc cũng nh quốc tế. Số trạm VSAT lên tới hàng
trăm trạm nằm rải rác khắp mọi miền đất nớc. Hệ thống VSAT TDM/TDMA
đã da vào khai thác chủ yếu phục vụ cho truyền số liệu. Thông tin vệ tinh nội
địa của Việt Nam tuy có mạng VSAT nhng mạng mặt đất còn rất ít về số
r
P
cận điểm
Hình 1.1: Quỹ đạo Elip
Trong đó: a,b: bán kính 2 trục.
r: bán kính quỹ đạo.
Viễn điểm có bán kính quỹ đạo lớn nhất bằng r
n
.
Cận điểm có bán kính quỹ đạo nhỏ nhất bằng r
P
.
Định luật thứ hai của Kepler: Một vật chuyển động theo quỹ đạo êlíp
có vận tốc giảm khi bán kính quỹ đạo tăng lên và có vận tốc tăng lên khi bán
kính quỹ đạo giảm.
Một vật chuyển động theo quỹ đạo tròn sẽ có vận tốc không thay đổi
trong toàn quỹ đạo (nh chỉ ra trên hình 1.2).
Lại Quang Hng - K10D1 9
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
Định luật thứ ba của Kepler: Bình phơng chu kỳ quỹ đạo thì tỷ lệ
với lập phơng của bán kính quỹ đạo, đợc biểu thị bởi công thức:
/2
3
rT = (s) (1.1)
Vận tốc nhỏ nhất
Vận tốc nhanh nhất
Vận tốc không đổi
E
/r
F
g
= GMm/
r
2 Hình 1.3: Chuyển động của quỹ đạo tròn
Từ điều kiện GMm/r
2
= mv
2
/r ta rút ra:
v = (/r)
1/2
(km/s) (1.2)
Lại Quang Hng - K10D1 10
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
Trong đó m là khối lợng của vật thể, v là vận tốc ly tâm
Dựa vào các định luật đã nêu trên, vệ tinh đợc phóng lên với các quỹ
đạo khác nhau.
1.2.2. Các dạng quỹ đạo của vệ tinh
Nếu phân loại theo hình dạng của quỹ đạo thì ta có thể phân làm 2 loại:
Quỹ đạo tròn và quỹ đạo Elip. Trong đó quỹ đạo Elip chỉ có một dạng quỹ đạo
Elip cao (HEO) mà điển hình là vệ tinh Molniya của Liên Xô (nên còn gọi là
quỹ đạo Molniya), độ nghiêng của mặt phẳng quỹ đạo so với măt phẳng xích
Quỹ đạo
cực tròn
Quỹ đạo
êlíp nghiêng
Quỹ đạo xích
đạo tròn
Hình 1.3: Ba dạng quỹ đạo cơ bản của vệ tinh
Có thể tóm tắt các dạng quỹ đạo của vệ tinh bằng sơ đồ dới đây.
Quỹ đạo
Elip
Quỹ đạo tròn
Các hệ thống
quỹ đạo êlíp
cao (HEO)
Vùng phủ sóng
từ vĩ độ trung
bình đến vĩ độ
cao với một vệ
tin
h
Lại Quang Hng - K10D1 12
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
cố định trên mặt đất. Nghĩa là thông tin sẽ đợc bảo đảm liên tục, ổn định
trong 24 giờ đối với các trạm nằm trong vùng phủ sóng của vệ tinh mà không
cần chuyển đôỉ sang một vệ tinh khác. Bởi vậy hầu hết các hệ thống thông tin
vệ tinh cố định đều sử dụng vệ tinh địa tĩnh.
1.3. Các băng tần làm việc của thông tin vệ tinh. [7]
Thông tin vệ tinh là hệ thống thông tin có phơng thức truyền dẫn vô
tuyến, bởi vậy việc lựa chọn và ấn định băng tần công tác cho các dịch vụ
thông tin vệ tinh là rất quan trọng. Nó phải thoả mãn hai điều kiện cơ bản.
- Không gây can nhiễu lên các hệ thống thông tin vô tuyến khác cũng
nh các dịch thông tin vệ tinh trong mạng.
- Tổn hao truyền sóng nhỏ để giảm nhỏ kích thớc và giá thành của
thiết bị.
1.3.1. Lựa chọn băng tần cho thông tin vệ tinh
Có những vấn đề liên quan tới sự truyền lan sóng vô tuyến điện trong
thông tin vệ tinh, vì việc phát và thu sóng thực hiện giữa một trạm mặt đất và
vệ tinh ở rất xa trong vũ trụ. Vấn đề lớn nhất là sóng bị tiêu hao do sự lan toả
tất yếu vào không gian. Đặc trng cho tổn hao đó là hệ số tổn hao không gian
tự do đợc biểu thị bằng công thức:
L
otd
= (4r/)
2
(1.3)
Trong đó: r là khoảng cách từ anten trạm mặt đất đến anten vệ tinh.
là bớc sóng.
Để hạn chế sự lan toả sóng vào không gian trong thông tin vô tuyến
phải sử dụng anten bức xạ có hớng để hớng bức xạ sóng vô tuyến điện đến
anten thu cũng nh hớng anten thu vào anten phát. Đại lợng đó đợc gọi là
điện ly.
Trong tầng đối lu sóng vô tuyến điện bị hấp thụ bởi các phân tử khí
nh oxy, hơi nớc (H
2
O), CO
2
v.v cũng nh trong ma và sơng mù. Nhng
ở các tần số khoảng 6 GHz trở xuống hấp thụ không đáng kể, có thể bỏ qua.
Khoảng tần số đó đợc gọi là cửa sổ vô tuyến , nh chỉ ra trên hình 1.4
Nếu sử dụng băng tần nằm trong cửa sổ vô tuyến tức là khoảng từ
1GHz đến 10 GHz thì suy hao do tầng điện ly và tầng đối lu là không đáng
kể và suy hao truyền sóng gần nh bằng suy hao không gian tự do. .02 .05 .1 .2 .5 1 2 5 10 20 50 100 200 GHz
1000
100
10
cho các hệ thống thông tin vi ba trên mặt đất, hơn nữa băng tần của thông tin
vệ tinh rất rộng nên ngoài các băng tần nằm trong cửa sổ vô tuyến đợc ấn
định cho thông tin vệ tinh thì phải sử dụng thêm các băng tần khác. Các băng
tần đó đợc quy định nh chỉ ra trên bảng 1.1
Băng tần
Khoảng tần số
(GHz)
ứng dụng
L 1,5 - 1,6 Dịch vụ thông tin di động (MSS)
S 2,0 - 2,7 Dịch vụ phát thanh, truyền hình (BSS)
C 3,7 - 7,25 Dịch vụ vệ tinh cố định (FSS)
X 7,25 - 8,4 Các vệ tinh nội địa
Ku 10,7 - 18 Dịch vụ vệ tinh cố định (FSS)
Ka 18 - 31 Dịch vụ vệ tinh cố định (FSS)
Q 44 Các vệ tinh nội địa
Bảng 1.1: Các băng tần ấn định cho thông tin vệ tinh
Dịch vụ cố định (FSS) là dịch vụ cho các trạm mặt đất có vị trí cố định.
Dịch vụ di động là dịch vụ sử dụng cho các con tàu biển, máy bay, ôtô và các
phơng tiện khác chuyển động trong khi truyền dẫn
ITU mà cụ thể CCIR đã phân chia và ấn định các băng tần nói chung
cho tất cả các hệ thống thông tin vô tuyến trên phạm vi toàn cầu, trong đó có
thông tin vệ tinh cũng nh điều khiển việc bố trí vị trí của vệ tinh trên quỹ đạo
địa tĩnh.
Lại Quang Hng - K10D1 15
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
ITU đã phân chia thế giới làm ba khu vực:
Khu vực I: bao gồm Châu Âu, Châu Phi, Liên Xô cũ và các nớc Đông
Âu (V1).
Khu vực II: gồm các nớc Nam và Bắc Mỹ (V2).
Khu vực III: gồm Châu á và Châu Đại Dơng (V3).
7,25 7,75
7,9 8,4
10,7 11,7
11,7- 12,3
12,3 12,5
12,5 12,7
12,7 12,75
12,75 13,25
14 14,5
14,5 14,8
17,3 17,7
17,7 18,1
18,1 21,2
22,55 23,55
27 27,5
27,5 31
32 33
37,5 40,5
42,5 - 43,5
50,4
51,4
Ghi chú: V1, V2, V3 là 3 khu vực của ITU
Bảng 1.2: Phân định tần số cho các dịch vụ thông tin vệ tinh cố định.
Băng Ku( 14/12 và 14/11 GHz): băng này đợc sử dụng rộng rãi sau
băng C cho viễn thông công cộng. Băng K
u
sử dụng thích hợp cho thông tin vệ
tinh nội địa và thông tin giữa các công ty. Do tần số cao nên cho phép các f
P
băn
g
tần bộ
p
hát đá
p
f
f
f
1
f
bv1
f
2
f
bv2
f
Phơng pháp này mỗi trạm mặt đất đợc ấn định cho một khe thời
gian nhất định và trạm mặt đất chỉ đợc thu hoặc phát lu lợng của trạm
mình trong khe thời gian quy định đó và đợc gọi là cụm(burst). Các
cụm của một số trạm mặt đất đợc sắp xếp lại trong một khoảng thời gian
dài hơn gọi là khung TDMA, nh chỉ ra ở hình 1.7.
Độ lâu của khe thời gian đợc ấn định cho mỗi trạm đợc xác định
trớc tỷ lệ với yêu cầu về lu lợng của trạm mặt đất đó. Mỗi trạm mặt đất
phát tín hiệu của nó trong khe thời gian đợc ấn định cho nó trong tất cả các
Lại Quang Hng - K10D1 19
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
khung TDMA. Nh vậy mỗi cụm đợc phát đi đúng bằng chu kỳ một khung
TDMA. Để các cụm trong khung TDMA không chồng lấn lên nhau thì giữa
các cụm kề nhau phải có một khoảng thời gian
cụm
Thời
g
ian bảo vệ
t
f
A
B
C
D
A
Khun
g
TDMA
) (bit/s) (1.5) B
Tốc độ luồng số điều chế sóng mang sẽ cao khi khoảng thời gian của
cụm ngắn và chu kỳ phát (T
B
/ T
F
) của trạm thấp. Ví dụ R
b
= 2 Mbit/s và
T
F
/T
B
= 10 thì R = 2.10 = 20 Mbit/s. B
Chú ý rằng R là tổng dung lợng của mạng, nghĩa là tổng các dung
lợng trạm ở bit/s. Nếu tất cả các trạm có dung lợng nh nhau thì chu kỳ
T
F
/T
B
biểu thị cho số trạm trong mạng. B
Khi thu cụm, mỗi trạm sẽ thu tất cả các cụm trong khung. Trạm thu
nhận dạng khởi đầu của mỗi cụm trong khung bằng việc tách từ duy nhất
Lại Quang Hng - K10D1 20
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
sau đó lấy ra lu lợng dành cho nó chứa trong cụm con của trờng lu lợng
có trong mỗi cụm. Lu lợng này nhận đợc không liên tục với tốc độ R bit/s.
Để khôi phục lại tốc độ ban đầu R
b
ở dạng một luồng bít liên tục, thông tin
bão hoà hay lân cận điểm bão hoà và sẽ cho ra công suất cực đại.
Hệ thống TDMA có tính mềm dẻo trong việc thay đổi lu lợng giữa
các trạm chỉ cần thay đổi độ rộng cụm của mỗi trạm mặt đất.
Nhng TDMA yêu cầu về công nghệ trạm mặt đất phức tạp hơn FDMA,
bởi vậy giá thành sẽ đắt hơn vì phải có sự đồng bộ chính xác giữa các trạm và
với vệ tinh.
Lại Quang Hng - K10D1 21
Điều khiển tốc độ và công suất thích nghi trong thông tin vệ tinh băng Ka
Do vị trí vệ tinh luôn luôn thay đổi nên độ trễ của các trạm mặt đất là
khác nhau, làm cho việc đồng bộ trong mạng gặp nhiều khó khăn và phức tạp
hơn nhiều so với các hệ thống vi ba trên mặt đất.
1.4.3. Đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA):
Trong CDMA mỗi trạm phát sử dụng một mã giả ngẫu nhiên duy nhất
để trải phổ tín hiệu phát. Phía thu mỗi trạm mặt đất thu trong mạng phải có
mã tạp âm giả ngẫu nhiên (PN) giống hệt nhau để khôi phục lại và chọn ra
thông tin. Những mạng khác có thể làm việc đồng thời trong cùng phổ tần
nhng với mã khác nhau thì sẽ không gây can nhiễu.
Phơng pháp cơ bản của việc phát thông tin trải phổ đòi hỏi phải gửi đi
một mã tạp âm giả ngẫu nhiên (PN) ở tốc độ khoảng Mbit/s. Mã này đợc gọi
là chíp. Mã PN đợc điều chế bởi luồng số liệu thông tin. Tỷ số giữa tốc độ
của chíp R
chip
và tốc độ luồng số thông tin R
data
đợc gọi là độ lợi xử lý. Hệ
số khuếch đại xử lý điển hình thờng bằng 100 : 1 đến 1000 : 1 (20 dB đến 30
dB). Nếu tốc độ số liệu là 10 kbit/s và hệ số khuếch đã xử lý 23 dB (200/1) thì
tốc độ chíplà 2 Mbit/s. Nếu yêu cầu E
b
/N
Đờng lên
Đờng xuống
Trạm điều khiển (TT&C)
Phần không gian
Trạm phát
Trạm thu
Phần mặt đất
Hình 1.9. Các thành phần của một hệ thống thông tin vệ tinh
Muốn thiết lập một đờng thông tin vệ tinh, trớc hết phải phóng một
vệ tinh lên quỹ đạo và có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện. Vệ tinh có thể
là vệ tinh thụ động, chỉ phản xạ sóng vô tuyến một cách thụ động mà không
khuếch đại và biến đổi tần số. Hầu hết các vệ tinh thông tin là vệ tinh tích cực.
Vệ tinh sẽ thu tín hiệu từ một trạm mặt đất, (SES: Satellite Earth Station) biến
đổi, khuếch đại và phát lại đến một hoặc nhiều trạm mặt đất khác. Hình 1.9
chỉ ra một đờng thông tin qua vệ tinh giữa hai trạm mặt đất.
Tuyến thông tin thiết lập từ một trạm mặt đất đến máy thu của vệ tinh
đợc gọi là đờng lên (uplink) và tuyến thông tin từ vệ tinh trở về trạm mặt
Lại Quang Hng - K10D1 23
Copyright: Tài liệu đại học ©