Đồ án Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng

ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 1 SVTH: Trần Minh Quang Lời mở ñầu Hiện nay trên thế giới và trong khu vực, có rất nhiều nước ñã có hệ thống Thông tin vệ tinh riêng của mình. Hệ thống này cho phép ñáp ứng ñược các nhu cầu ngày càng tăng của thông tin cũng như nhu cầu ngày càng tăng của các dịch vụ ña dạng và phong phú. Hệ thống Thông tin vệ tinh có thể cung cấp các dịch vụ thông tin như: Thoại, truyền số liệu, phát thanh, truyền hình, Internet… với dung lượng lớn, vùng phủ sóng rộng, ñộ tin cậy và chất lượng thông tin cao. ðề tài Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng phân tích tổng quan về hệ thống mạng và dịch vụ VSAT, một số vấn ñề liên quan ñến quản lý và ñánh giá tiềm năng phát triển loại hình dịch vụ này ở Việt Nam. ðề tài này sẽ gồm hai phần : Phần 1: Hệ thống mạng VSAT Chương 1 : Tổng quan về mạng VSAT. Chương 2 : Quá trình sử dụng vệ tinh cho mạng VSAT. Chương 3 : Hoạt ñộng của mạng VSAT. Chương 4 : Các khía cạnh liên quan ñến hoạt ñộng của mạng VSAT. Phần 2 : Ứng dụng của hệ thống mạng VSAT Chương 5 : Ứng dụng của hệ thống mạng VSAT Mặc dù em ñã cố gắng rất nhiều nhưng do thời gian có hạn nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót, vì vậy em rất mong nhận ñược sự góp ý của quý Thầy ñể ñề tài của em ñược hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Xuân Trường ñã tận tình trực tiếp hướng dẫn em, xin cám ơn quý Thầy cô của trường ðại học Giao Thông Vận Tải – Cơ sở 2 ñã truyền thụ cho em những kiến thức bổ ích trong 5 năm học tập tại trường và cảm ơn sự ñộng viên, giúp ñỡ của tập thể lớp Kỹ Thuật Viễn Thông – Khóa 45 ñể tôi hoàn thành ñề tài này. Sinh viên Trần Minh Quang ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 2 SVTH: Trần Minh Quang MỤC LỤC Trang PHẦN 1 : HỆ THỐNG MẠNG VSAT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VSAT ....................................................... 7 1.1 Khái niệm mạng VSAT ................................................................................... 7 1.2 Cấu hình mạng VSAT ................................................................................... 10 1.3 Kết nối thiết bị ñầu cuối người dùng............................................................ 15 1.4 Các ứng dụng của mạng VSAT và các kiểu lưu lượng............................... 16 1.4.1 Ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày................................................... 16 1.4.1.1 Các loại dịch vụ ................................................................................ 16 1.4.1.2 Các kiểu lưu lượng........................................................................... 17 1.4.2 Mạng VSAT quân sự .............................................................................. 19 1.5 Các ñối tượng liên quan ñến cung cấp và sử dụng dịch vụ VSAT............ 19 1.6 Các thành phần chủ yếu của mạng VSAT................................................... 21 1.6.1 Dạng hình sao hay hình lưới ? ............................................................... 21 1.6.1.1 Cấu trúc của luồng thông tin ........................................................ 22 1.6.1.2 Dung lượng và chất lượng ñường truyền .................................... 22 1.6.1.3 Trễ truyền dẫn................................................................................ 24 1.6.2 Dữ liệu / thoại / hình ảnh........................................................................ 24 1.6.3 Ấn ñịnh cố ñịnh và ấn ñịnh theo nhu cầu............................................. 24 1.6.3.1 Phương pháp ấn ñịnh cố ñịnh......................................................... 25 1.6.3.2 Phương pháp ấn ñịnh theo nhu cầu ............................................... 25 1.6.4 Các băng tần số ....................................................................................... 27 1.6.5 Các loại HUB ........................................................................................... 30 1.6.5.1 HUB lớn chuyên dụng ..................................................................... 30 1.6.5.2 HUB dùng chung.............................................................................. 30 1.6.5.3 Mini HUB.......................................................................................... 30 CHƯƠNG 2 : QUÁ TRÌNH SỬ DỤNG VỆ TINH CHO MẠNG VSAT ............. 31 ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 3 SVTH: Trần Minh Quang 2.1 Giới thiệu ........................................................................................................ 31 2.2 Chức năng chuyển tiếp của vệ tinh .............................................................. 31 2.3 Tái sử dụng tần số .......................................................................................... 34 2.4 Quỹ ñạo vệ tinh .............................................................................................. 35 2.4.1 ðịnh luật vạn vật hấp dẫn của Newton................................................. 38 2.4.2 Các thông số quỹ ñạo.............................................................................. 39 2.5 Vệ tinh ñịa tĩnh............................................................................................... 39 2.5.1 Các thông số quỹ ñạo.............................................................................. 39 2.5.2 Quá trình phóng vệ tinh ......................................................................... 40 2.5.3 Khoảng cách của vệ tinh ........................................................................ 42 2.5.4 Trễ truyền dẫn......................................................................................... 43 2.5.6 Quá trình ñiều chỉnh quỹ ñạo................................................................ 43 2.5.6.1 Hộp giữ trạm .................................................................................... 43 2.5.6.2 Chức năng ñiều chỉnh...................................................................... 44 2.5.7 Hiệu ứng Doppler.................................................................................... 44 CHƯƠNG 3 : HOẠT ðỘNG CỦA MẠNG VSAT ................................................. 46 3.1 Quá trình lắp ñặt............................................................................................ 46 3.1.1 HUB.......................................................................................................... 46 3.1.2 VSAT........................................................................................................ 46 3.1.3 Hướng của anten ..................................................................................... 48 3.2 Các vấn ñề cần quan tâm của khách hàng .................................................. 50 3.2.1 Giao diện của thiết bị ñầu cuối .............................................................. 51 3.2.2 Tính ñộc quyền của hãng sản xuất ........................................................ 51 3.2.3 Thời gian lắp ñặt ..................................................................................... 51 3.2.4 Truy cập dịch vụ ..................................................................................... 52 3.2.5 Tính linh hoạt .......................................................................................... 52 3.2.6 Khả năng khắc phục lỗi và hỏng hóc .................................................... 52 3.2.7 Thời gian ñáp ứng................................................................................... 54 ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 4 SVTH: Trần Minh Quang 3.2.8 Chất lượng ñường truyền....................................................................... 55 3.2.9 ðộ khả dụng............................................................................................. 56 3.2.9.1 ðộ khả dụng trạm mặt ñất phát và thu ......................................... 56 3.2.9.2 ðộ khả dụng của phần không gian................................................. 57 3.2.9.3 ðộ khả dụng của tuyến.................................................................... 58 3.2.10 Quá trình bảo dưỡng .............................................................................. 59 3.2.11 Các rủi ro ................................................................................................. 59 3.2.11.1 Bảo vệ con người và ñộng vật tránh khỏi sự bức xạ................... 60 3.2.11.2 Bảo vệ phần cứng ........................................................................... 60 3.2.12 Chi phí...................................................................................................... 60 CHƯƠNG 4 : CÁC KHÍA CẠNH LIÊN QUAN ðẾN MẠNG VSAT ................. 61 4.1 Các chức năng của mạng................................................................................ 61 4.2 Một số ñịnh nghĩa........................................................................................... 61 4.2.1 Liên kết và kết nối................................................................................... 61 4.2.2 Tốc ñộ bit ................................................................................................. 62 4.2.3 Các giao thức ........................................................................................... 65 4.2.4 Trễ ............................................................................................................ 65 4.2.5 Thông lượng ............................................................................................ 66 4.2.6 Hiệu suất kênh truyền ............................................................................ 66 4.2.7 Tính hiệu dụng của kênh truyền ........................................................... 66 4.3 ðặc tính lưu lượng ......................................................................................... 66 4.3.1 Dự ñoán lưu lượng .................................................................................. 66 4.3.2 Các phép ño lưu lượng ........................................................................... 66 4.4 Mô hình tham chiếu OSI ñối với các thông tin số liệu................................ 67 4.4.1 Lớp vật lý ................................................................................................. 69 4.4.2 Lớp liên kết số liệu .................................................................................. 69 4.4.1.1 Quá trình phát hiện các khung bị hỏng, bị mất hoặc trùng nhau và khắc phục lỗi.............................................................................................. 70 ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 5 SVTH: Trần Minh Quang 4.4.1.2 ðiều khiển luồng ............................................................................ 71 4.4.3 Lớp mạng................................................................................................. 71 4.4.3.1 ðịnh ñịa chỉ....................................................................................... 72 4.4.3.2 ðịnh tuyến thông tin ........................................................................ 72 4.4.3.3 ðiều khiển nghẽn.............................................................................. 72 4.4.3.4 Tính cước ........................................................................................ 72 4.4.4 Lớp vận chuyển ....................................................................................... 72 4.4.4.1 Truyền dữ liệu từ ñầu cuối ñến ñầu cuối (end-to-end)................. 72 4.4.4.2 Ghép kênh......................................................................................... 73 4.4.4.3 ðiều khiển luồng .............................................................................. 73 4.4.5 Các lớp cao (5 ñến 7)............................................................................... 73 4.5 Cấu hình giao thức của mạng VSAT............................................................ 73 4.5.1 Các cấu hình vật lý và giao thức của mạng VSAT .............................. 73 4.5.2 Quá trình chuyển ñổi giao thức ............................................................. 73 4.5.3 Các lý do ñể thực hiện hoán chuyển giao thức: ................................... 76 4.5.3.1 Ảnh hưởng ñến quá trình ñiều khiển lỗi........................................ 76 4.5.3.2 Ảnh hưởng ñến quá trình ñiều khiển luồng .................................. 77 4.6 ða truy nhập................................................................................................... 78 4.6.1 Các giao thức ña truy nhập cơ bản ....................................................... 80 4.6.2 Các mạng dạng lưới ................................................................................ 82 4.6.3 Mạng hình sao ......................................................................................... 85 4.6.3.1 Tuyến vào FDMA-SCPC (Inbound)/ tuyến ra FDMA–SCPC (Outbound) ..................................................................................................... 85 4.6.3.2 Tuyến vào FDMA – SCPC / tuyến ra FDMA - MCPC ................ 85 4.6.3.3 Tuyến vào FDMA – SCPC / tuyến ra TDM - MCPC................... 86 4.6.3.4 Tuyến vào FDMA –MCPC / tuyến ra TDM -MCPC ................... 87 4.6.3.5 Tuyến vào TDMA / tuyến ra TDM – MCPC................................. 88 4.6.3.6 Tuyến vào FDMA – TDMA / tuyến ra FDMA – MCPC.............. 90 4.6.3.7 CDMA ............................................................................................... 91 ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 6 SVTH: Trần Minh Quang 4.6.4 Khác biệt của quá trình ấn ñịnh cố ñịnh và ấn ñịnh theo yêu cầu..... 92 4.6.4.1 Ấn ñịnh cố ñịnh với FDMA (FA - FDMA) .................................... 92 4.6.4.2 Ấn ñịnh theo yêu cầu với FDMA (DA - FDMA) .......................... 94 4.6.4.3 Ấn ñịnh cố ñịnh với TDMA (FA - TDMA).................................... 95 4.6.4.4 Ấn ñịnh theo nhu cầu với TDMA (DA – TDMA) ......................... 96 4.6.4.5 Thủ tục ña truy nhập ấn ñịnh theo nhu cầu (DAMA).................. 97 PHẦN 2 : ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG MẠNG VSAT CHƯƠNG 5: ỨNG DỤNG CỦA HỆ THỐNG MẠNG VSAT ............................ 100 5.1 Một số ứng dụng của mạng VSAT ............................................................. 100 5.2 Dịch vụ VSAT–IP......................................................................................... 105 5.3 Khả năng áp dụng mạng VSAT trong viễn thông ở Việt Nam................ 106 5.3.1 Hiện trạng ............................................................................................... 106 5.3.2 Tiềm năng của dịch vụ VSAT trong lĩnh vực viễn thông, quảng bá. 107 Kết luận................................................................................................................. 109 THUẬT NGỮ VÀ KÝ HIỆU .................................................................................. 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................... 112 ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 7 SVTH: Trần Minh Quang PHẦN 1 HỆ THỐNG MẠNG VSAT CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG VSAT 1.1 Khái niệm mạng VSAT Ngành thông tin vệ tinh ñã trải qua một quá trình phát triển lâu dài từ sự khởi ñầu ñơn giản cho ñến những hệ thống phức tạp, ñồng thời nó cũng ñang dần ñược hoàn thiện và không ngừng phát triển trong tương lai. Cùng với việc hạ giá thành và kích thước, số lượng trạm vệ tinh mặt ñất tăng lên không ngừng. Các trạm vệ tinh cỡ nhỏ, với kích thước an-ten từ 0.6m ñến 2.4m ñã trở nên quen thuộc với tên gọi VSAT. VSAT (Very Small Aperture Terminal) là trạm thông tin vệ tinh mặt ñất cỡ nhỏ ñược phát triển từ những năm 1980 bởi Công ty Telcom General của Mỹ. Một số quan ñiểm xem trạm vệ tinh VSAT như là thiết bị ñầu cuối viễn thông (Terminal) thay vì sử dụng khái niệm trạm mặt ñất (Earth Station) với cách nhìn trạm VSAT như là thiết bị ñầu cuối của mạng viễn thông (thoại, fax, Internet…), của mạng quảng bá (xem truyền hình) hoặc như là thiết bị chuyển ñổi lưu lượng trong nội bộ mạng VSAT. Quan ñiểm này cũng hoàn toàn phù hợp với ñịnh nghĩa của Liên minh Viễn thông Thế giới (ITU) về thiết bị ñầu cuối số liệu DTE (Data Teminal Equipment) là thực hiện chức năng chuyển ñổi lưu lượng số liệu ñầu cuối. VSAT là một trong những bước trung gian của xu hướng chung trong quá trình giảm kích thước trạm mặt ñất kể từ khi vệ tinh ñầu tiên ñược phóng vào giữa những năm 1960. Thực ra, quá trình phát triển của các trạm mặt ñất ñược khởi ñầu từ các trạm mặt ñất Intelsat chuẩn A kích thước lớn ñược trang bị các anten rộng khoảng 30m, cho ñến hiện giờ thì kích thước anten ñược trang bị nhỏ khoảng 60cm cho mỗi hướng thu truyền hình ñược phát quảng bá bởi các vệ tinh hay các ñầu cuối có chức ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 8 SVTH: Trần Minh Quang năng ñịnh vị toàn cầu như máy thu hệ thống ñịnh vị toàn cầu.Và hiện nay thông dụng là các máy ñiện thoại vệ tinh cầm tay (IRIDIUM, GLOBALSTAR) có kích thước bỏ túi. Hình 1.1 sẽ minh họa cho xu hướng này. Thực ra, nếu phân tích theo khía cạnh về kích thước trạm vệ tinh thì trạm VSAT ñược xem là bước trung gian của quá trình phát triển từ trạm vệ tinh mặt ñất cỡ lớn ñến máy ñầu cuối thông tin di ñộng vệ tinh hay từ nghiệp vụ thông tin cố ñịnh vệ tinh, ñến nghiệp vụ thông tin di ñộng vệ tinh. Hình 1.1 : bước phát triển của quá trình giảm kích thước trạm mặt ñất Vì vậy, VSAT tại các mức thấp hơn của một dòng sản phẩm sẽ mang lại sự khác nhau ñáng kể giữa các dịch vụ thông tin, tại các mức cao hơn là các trạm lớn hơn (thường gọi là trạm trung kế) hỗ trợ cho các liên kết vệ tinh có dung lượng lớn. Chúng chủ yếu ñược dùng trong các mạng chuyển mạch quốc tế ñể hỗ trợ cho các dịch vụ ñiện thoại trung kế giữa các quốc gia hay giữa các lục ñịa khác nhau. Hình 1.2 sẽ minh họa cách mà các trạm tập trung lưu lượng từ các thiết bị ñầu cuối người dùng thông qua các tuyến liên kết trên mặt ñất, các tuyến này ñược xem là một phần của mạng chuyển mạch công cộng của một quốc gia. Giá thành các trạm này khá ñắt, 1960 2000 Các trạm trung kế Các trạm tuyến hẹp Các trạm VSATs Các trạm cá nhân và di ñộng ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 9 SVTH: Trần Minh Quang khoảng 1 triệu ñô / 1vùng. Dung lượng ñường truyền trên một vùng khoảng vài ngàn kênh thoại (tương ñương khoảng 100Mbps). Chúng ñược sở hữu và vận hành bởi các nhà ñiều hành viễn thông quốc gia hoặc các công ty tư nhân lớn. Hình 1.2 Các trạm trung kế Tại các trạm VSAT thường ñược lắp ñặt các anten có bán kính nhỏ hơn 2.4m, các trạm này không hỗ trợ cho các tuyến liên kết vệ tinh có dung lượng lớn, tuy nhiên nó có ưu ñiểm là rẻ với chi phí sản xuất khoảng 1000USD ñến 5000USD và dễ dàng lắp Nước A Nước B Thuê bao Thuê bao Liên kết mặt ñất Tổng ñài trung kế quốc tế Tổng ñài trung kế quốc gia Tổng ñài trung kế quốc gia Tổng ñài trung kế quốc tế Tổng ñài trung kế quốc tế Tổng ñài nội hạt Tổng ñài nội hạt Tổng ñài trung kế quốc tế Vệ tinh TRẠM TRUNG KẾ TRẠM TRUNG KẾ ðồ án tốt nghiệp Nghiên cứu hệ thống mạng VSAT và ứng dụng GVHD : Th.S Trần Xuân Trường 10 SVTH: Trần Minh Quang ñặt ở bất kì nơi ñâu, có thể là trên nóc nhà hay chỗ ñậu xe. Chi phí lắp ñặt thường nhỏ hơn 2000USD. Bắt nguồn từ việc chi phí của VSAT thấp mà khiến cho nó ngày càng trở nên phổ biến, thị trường dịch vụ này tăng khoảng 20-25% trên một năm. Có khoảng 50000 VSAT