1. 3 Đánh giá về tiềm năng khai thác về vệ tinh quỹ đạo thấp trên thế giới và
2.4.1 Phân bổ tần số:
Các vệ tinh chỉ được phép thu phát tín hiệu trong các băng tần được phân bổ. Các Bảng viết tắt trong Hình 1.14 và chi tiết trong bảng 2.4 liệt kê các tần số được liệt kê và áp dụng trong khai thác vận hành các vệ tinh từ những người nghiệp dư, các nhà nghiên cứu và cho đến các tổ chức thương mại. Số liệu này được trích xuất từ bảng Phân bổ tần suất của [5].
Bảng 2.4 Phân bố dải tần được sử dụng cho vệ tinh
Dải tần (MHz) Dịch vụ triển khai
137-138 VHF Dữ liệu tốc độ thấp từ vệ tinh - mặt đất 145-146 VHF Vệ tinh không chuyên.
148-150 VHF Đường lên cho các vệ tinh tốc độ thấp. 240-270 UHF Vệ tinh quân đội
400-403 UHF Thông tin di động 432-438 UHF Vệ tinh không chuyên.
36
2,025-2,300 băng S Truyền tin từ vệ tinh - mặt đất và ngược lại 8,000-9,000 băng X Truyền dẫn vệ tinh tốc độ cao
Trên 20.000 Dải tần ngày càng được sử dụng nhiều hơn.
Bảng 2.4 Phân bố dải tần được sử dụng cho vệ tinh (tiếp)
7.000 71.000 Vệ tinh không chuyên 14.000 14.250 Vệ tinh không chuyên 19.068 18.168 Vệ tinh không chuyên 21.000 21.450 Vệ tinh không chuyên 24,890 24.990 Vệ tinh không chuyên 137.000 138.000 Vệ tinh - trạm mặt đất 144.000 146.000 Vệ tinh không chuyên 148.000 149.900 Trạm mặt đất - vệ tinh 149.900 150.050 Trạm mặt đất - vệ tinh 1.619.625 1.619.875 Trạm mặt đất (di động) - vệ tinh 1.620.125 1.620.375 Trạm mặt đất (di động) - vệ tinh 399.900 400.050 Trạm mặt đất - vệ tinh 400.150 401.000 Vệ tinh - trạm mặt đất
401.000 402.000 Vệ tinh - trạm mặt đất và ngược lại 402.000 403.000 Trạm mặt đất - vệ tinh
1,164.000 1,215.000 Vệ tinh định vị, từ vệ tinh- mặt đất, Vệ tinh - vệ tinh 1,215.000 1,240,000 Vệ tinh định vị, từ vệ tinh- mặt đất, Vệ tinh - vệ tinh 1,240.000 1,300.000 Vệ tinh - trạm mặt đất
1,300.000 1,350.000 Định vị, dẫn đường
1,400.000 1,427.000 Các vệ tinh nghiên cứu và khám phá 1,525.000 1,535.000 Vệ tinh - trạm mặt đất
1,535.000 1,559.000 Vệ tinh - trạm mặt đất
1,559.000 1,610.000 Vệ tinh định vị, từ vệ tinh- mặt đất, Vệ tinh - vệ tinh 1,610.600 1,613.800 Trạm mặt đất (di động, dẫn đường vũ trụ) - vệ tinh 1,626.500 1,660.000 Trạm mặt đất (di động) - vệ tinh
37
1,675.000 1,695.000 Trạm mặt đất (Khí tượng thủy văn) - vệ tinh 1,695.000 1,710.000 Vệ tinh (Khí tượng thủy văn) - trạm mặt đất 1,761.000 1,850.000 Khai thác không gian từ trạm mặt đất - vệ tinh 2,000.000 2,020.000 Trạm mặt đất (di động) - vệ tinh
2,025.000 2,110.000 Nghiên cứu không gian từ trạm mặt đất - vệ tinh 2,200.000 2,290.000 Vệ tinh - trạm mặt đất
2,310.000 2,345.000 Vệ tinh quảng bá 2,483.500 2,500.000 Vệ tinh - trạm mặt đất
2,655.000 2,700.000 Nghiên cứu không gian thụ động 3,100.000 3,300.000 Các vệ tinh nghiên cứu và khám phá 3,600.000 4,200.000 Vệ tinh cố định vệ tinh - mặt đất 4,500.000 4,800.000 Vệ tinh cố định vệ tinh - mặt đất
5,000.000 5,010.000 Tần số từ Mặt đất - vệ tinh trong dịch vụ định vị.
(Nguồn: www.esa.int)
Các tần số VHF phù hợp với các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp. Các anten vệ tinh, do kích thước của thiết kế, thường là đa hướng và cố định (không thể quay bám). Ăng-ten này thường phải được xếp gọn, vì cần giảm thiểu kích thước khi triển khai và hoạt động trên quỹ đạo. Khi nhiễu tần số vô tuyến trên mặt đất làm tăng nhiệt tạp âm RF của trạm mặt đất lên hơn 10 dB, liên lạc thì yêu cầu máy phát công suất của vệ tinh hoặc hoặc ăng ten trạm mặt đất phải có độ lợi cao.
Các tần số UHF cũng được sử dụng cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu thấp. Tuy nhiên, ăng ten của vệ tinh nhỏ hơn (hoặc chúng có độ lợi lớn hơn). Tạp âm trên mặt đất lớn hơn ở băng tần VHF nhưng các trạm mặt đất có độ tăng ích ăng ten lớn hơn dù kích thước anten nhỏ hơn. Tất cả các yếu tố này cho phép hệ thống hoạt động ở tốc độ dữ liệu cao hơn (thường là vài trăm Kbps).
Tại băng tần S, nhiễu mặt đất rất nhỏ và các ăng-ten của vệ tinh có độ lợi cao, do vậy dễ thiết kế và triển khai hơn. Do đó, các hệ thống làm việc ở băng tần này có thể hoạt động ở tốc độ dữ liệu vài MHz.
Tại băng tần X bao gồm tất cả các thuộc tính được mô tả cho băng S và đặc biệt có nhiều băng thông có sẵn, do đó băng tần này có thể thiết kế áp dụng cho các tốc độ truy cập lên đến hàng chục MHz.Tuy nhiên, sự suy hao do mưa ở băng tần này là
38
rất lớn, nên cần cân nhắc tính toán. Ở tất cả các dải tần số này, FCC yêu cầu mật độ bức xạ điện tự trên mặt đất nhỏ hơn 1–5 mW/cm2. Giá trị này có tác dụng giới hạn công suất phát cực đại của vệ tinh và độ tăng ích anten.
2.4.2Điều chế
Thông tin liên lạc lên và xuống vệ tinh sử dụng dữ liệu số và một số các loại điều chế cơ bản. Các kiểu điều chế này được sử dụng thường xuyên và có các đặc điểm chung được liệt kê chi tiết trong bảng 2.5. Các kiểu điều chế được liệt kê được xắp xếp theo thứ tự giảm dần tỷ lệ S/N với cùng tỷ lệ lỗi bit (BER).
Bảng 2.5: Phân loại điều chế và các đặc tính cơ bản.
Kiểu điều chế Mô tả Ghi chú
FSK (rời rạc) Tần số sóng mang chuyển đổi trong 2 giá trị
Phương pháp điều chế cơ bản, đơn giản, không nhạy cảm với hiệu ứng doppler,
Chỉ số điều chế là 0,3 FSK (liên tục) Tần số sóng mang thay đổi
theo độ dịch pha
Kiểu điều chế cho tỉ lệ S/N thấp hơn với cùng một giá trị BER
GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying)
Dữ liệu bit được làm tròn trước khi áp dụng điều chế FSK
Tương tự như FSK ngoại trừ hiệu suất phổ cao hơn. PSK (Phase Shift
Keying)
Pha của sóng mang thay đổi
±90° Tăng hiệu suất của BER.
BPSK (Bi-Phase Shift
Keying)
Sóng mang được điều chế theo tín hiệu theo hai trạng thái +1 or - 1
Hiệu suất cao nhưng nhạy cảm với hiệu ứng Doppler. QPSK (Quadrature
Phase Shift Keying)
Pha của sóng mang thay đổi từ 1-4 trạng thái.
Cải thiện hiệu quả phổ tần khi sử dụng 2 bit mỗi tại bước điều chế.
O-QPSK (Offset QPSK)
Một trong 2 pha được thay đổi trễ theo từng bit.
Cải thiện hiệu quả phổ tần, nhưng pha của tín hiệu biến đổi theo từng bit.
39
2.4.3Tỉ số BER và hệ số FEC:
Trước khi thiết kế đường truyền thông tin tỉ số tín hiệu trên tạp âm S/N yêu cầu cần được xác định cụ thể, các đặc tính của các kỹ thuật điều chế khác nhau phải được đánh giá và xem xét áp dụng vào hệ thống.
Tùy thuộc vào loại điều chế lựa chọn, luôn có sự khác biệt đáng kể trong tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cần thiết để có được chất lượng đường truyền tin cậy. Điều này được thể hiện bởi tỷ lệ lỗi bit như một hàm của năng lượng bit tín hiệu trên mật độ công suất nhiễu (Eb/No). Hình 2.14 cho thấy tỉ số BER tương quan với hệ số Eb/No áp dụng cho các kiểu điều chế thường hay được sử dụng nhất.
Hệ số mã sửa lỗi trước FEC thường được sử dụng để giảm giá trị Eb/No yêu cầu. Các giá trị hiệu chỉnh sửa lỗi sẽ làm tăng số lượng bit trong tin báo phát đi nhằm cung cấp khả năng tái tạo tin nhắn ít có tạp âm hoặc can nhiễu từ các nguồn khác. Có nhiều loại mã sửa lỗi khác nhau với các thuộc tính khác nhau. Ở đây, chúng ta sẽ xét mã Viterbi được sử dụng thường xuyên nhất Mã tích hợp 1/2, k = 7.
Việc áp dụng FEC có thể làm giảm tốc độ dữ liệu tin nhắn hiệu quả (nếu tốc độ bit là được giữ cố định), hoặc nó sẽ làm tăng tốc độ bit và băng thông nếu tốc độ dữ liệu được giữ không đổi. Vì vậy, trong khi sử dụng FEC có những lợi thế đáng kể về sửa lỗi nhưng đồng thời nó cũng có những bất lợi về dung lượng đường truyền. Hình 2.14 cho thấy BER so với Eb/No cho các loại điều chế FSK, BPSK, QPSK, FSK với FEC và QPSK với FEC.
40
Hình 2.14: Biến thiên tỉ lệ lỗi bit với Eb/No theo các kiểu điều chế khác nhau. Bảng 2.6: Bảng thống kê Eb/No theo các giá trị BER và điều chế khác nhau.
Kiểu điều chế Eb/No yêu cầu
BER=10-5 BER=10-6 BER=10-7
FSK (incoherent) 13.2 14.2 14.8
BPSK or QPSK 9.8 10.6 11.7
FSK với FEC* 7.8 9.0 9.6
QPSK với FEC* 4.5 5.6 5.9
FSK (incoherent) 13.2 14.2 14.8
* FEClà mã Viterbi 1/2 với k=7
Ta thấy rằng việc áp dụng các giá trị FEC khác nhau có tác động đáng kể đến việc giảm Eb/No yêu cầu đối với một tín hiệu mà có tỉ lệ BER cố định. Điều này có thể thấy rõ nhất từ bản tóm tắt được đưa ra trong bảng 2.5, Eb/No yêu cầu đối với giá trị tỉ lệ lỗi bit BER nằm trong khoảng từ 10−5 đến 10−7.