Chương 1: Tổng quan: Giới thiệu về tình hình nghiên cứu và tên đề tài nghiên cứu, mục tiêu, các giới hạn và bố cục đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày các lý thuyết về hệ thống vệ tinh, kênh truyền vệ tinh, kênh truyền mặt đất, vệ tinh mặt đất hỗn hợp nhận thức. Chương 3: Nội dung thực hiện: Nghiên cứu mô hình hệ thống, mô phỏng và phân tích xác suất dừng với sự ảnh hưởng của nhiễu. Chương 4: Mô phỏng và đánh giá: Kiểm tra kết quả và so sánh kết quả với lý thuyết.
2 Chương 5: Kết luận và hướng phát triển: Kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài trong tương lai. 3 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. HỆ THỐNG VỆ TINH 2. Các loại vệ tinh - GEO (Quỹ đạo địa tĩnh) ở độ cao 36.000 km so với đường xích đạo: Vệ tinh địa tĩnh là loại vệ tinh được đưa lên quỹ đạo tròn ở độ cao khoảng 36.000 km so với đường xích đạo của Trái Đất.
Vệ tinh này bay xung quanh hành tinh một vòng trong khoảng thời gian 24 giờ. Do chu kỳ bay của nó bằng chu kỳ quay của Trái Đất xung quanh trục của nó theo hướng Đông, vệ tinh dường như đứng yên khi quan sát từ mặt đất. Chính vì vậy, nó được gọi là vệ tinh địa tĩnh. Vệ tinh địa tĩnh có nhiều ưu điểm hơn so với vệ tinh quỹ đạo thấp trong việc cung cấp thông tin ổn định liên tục [1].
Loại vệ tinh liên lạc này ngày nay rất phổ biến có lẽ vì nó được sử dụng trong phát sóng truyền hình và đài phát thanh; chúng là loại được sử dụng trong các vệ tinh thời tiết và vệ tinh hoạt động như xương sống cho mạng điện thoại. Nó được đề xuất lần đầu tiên bởi tác giả khoa học viễn tưởng Arthur C. “Nếu ba vệ tinh địa tĩnh được đặt ở cách đều nhau bên trên xích đạo thì có thể thiết lập thông tin liên kết giữa các vùng trên trái đất bằng cách chuyển tiếp qua một hoặc hai vệ tinh. Điều này cho phép xây dựng một mạng thông tin trên toàn thế giới [1].” - LEO (Quỹ đạo thấp) ở độ cao 500-1500 km so với đường xích đạo: Dạng quỹ đạo LEO (Low Earth Orbit) có độ cao điển hình từ 160 đến 480 km và chu kỳ quay là 90 phút.
Thời gian quan sát vệ tinh trong dạng quỹ đạo này thường không vượt quá 30 phút. Sự gần nhau của các vệ tinh LEO mang lại lợi thế về thời gian truyền dữ liệu, vì khoảng cách giữa vệ tinh và người dùng ngắn. Tính năng thực 4 hiện nhanh của hệ thống LEO cũng tạo điều kiện cho việc tương hỗ toàn cầu giữa các mạng và loại hình hội thoại vô tuyến truyền hình. Tuy nhiên, để bao phủ toàn bộ bề mặt địa cầu, cần ít nhất 60 vệ tinh LEO [1].
Việc sử dụng vệ tinh trong thực tế đòi hỏi phải sử dụng nhiều mặt phẳng quỹ đạo, mỗi mặt phẳng có nhiều vệ tinh trên quỹ đạo. Thông tin liên lạc giữa hai trạm mặt đất thường sẽ liên quan đến việc chuyển tín hiệu từ vệ tinh này sang vệ tinh khác. Công nghệ này hiện đang được sử dụng để liên lạc với các thiết bị đầu cuối di động và với các thiết bị đầu cuối cá nhân cần tín hiệu mạnh hơn để hoạt động. - MEO (Quỹ đạo trung bình) hoặc ICO (Quỹ đạo tròn trung gian) ở độ cao 6000-20000 km so với bề mặt trái đất.
Vệ tinh MEO (Medium Earth Orbit) hoạt động ở độ cao từ 10.000 km, có chu kỳ quỹ đạo từ 5 đến 12 giờ và thời gian quan sát vệ tinh từ 2 đến 4 giờ. Các ứng dụng của hệ thống MEO bao gồm truyền thông di động và truyền thông radio. Để bao phủ toàn cầu, hệ thống MEO cần ít nhất 12 vệ tinh [1]. - HEO (Quỹ đạo hình elip nghiêng): Ưu điểm của loại quỹ đạo này là vệ tinh có thể đạt đến các vùng cực cao mà các vệ tinh địa tĩnh không thể đạt tới.
Tuy nhiên quỹ đạo elip nghiêng có nhược điểm là hiệu ứng Doppler lớn và vấn đề điều khiển bám đuôi vệ tinh phải ở mức cao [1].1: Các quỹ đạo hoạt động của vệ tinh Với việc các vệ tinh hoạt động ở các quỹ đạo khác nhau, việc phân loại dải tần, băng thông phù hợp với từng quỹ đạo là điều cần thiết.1 là các loại dải tần thường dùng dựa trên tiêu chuẩn IEEE.1: Các dải tần số của vệ tinh Dải tần Downlink, GHz Uplink, GHz Băng thông, MHz L 1,5 1,6 15 S 1,9 2,2 70 C 4 7 500 Ku 11 16 500 Ka 20 30 3500 6 Kích thước của anten liên quan đến tần số truyền. Các anten lớn hơn là cần thiết để thu thập tín hiệu. Dải tần được sử dụng phổ biến nhất: C-band (4 - 7 GHz), Ku- band (11 - 16 GHz) và Ka-band (20 - 30 GHz). Đặc điểm Mạng vệ tinh tuy ra đời sau so với mạng mặt đất nhưng lại phát triển nhanh chóng hơn do có nhiều lợi thế như: Vùng phủ sóng rộng, thiết bị phát sóng chỉ cần công suất nhỏ, lắp đặt hoặc di chuyển một hệ thống vệ tinh nhanh chóng, cung cấp nhiều dịch vụ như viễn thông thoại, truyền hình ảnh, nghiên cứu khí tượng, thông tin vệ tinh rất ổn định ít bị ảnh hưởng bởi môi trường, sử dụng nguồn điện nhờ năng lượng mặt trời.
Một hệ thống có những ưu điểm nổi trội, cũng có những nhược cần đánh đổi để nhận lại lợi ích của nó. ❖ Thuận lợi: - Phạm vi Phủ sóng Rộng: Vệ tinh cung cấp phạm vi phủ sóng rộng lớn trên diện tích địa lý lớn, đặc biệt có lợi cho các khu vực dân cư thưa thớt. - Băng thông Cao: Chúng cung cấp băng thông cao, cho phép truyền tải lượng lớn dữ liệu và hỗ trợ khả năng phát sóng. - Giao tiếp Di động: Giao tiếp vệ tinh hỗ trợ giao tiếp không dây và di động, không phụ thuộc vào vị trí.
- Đa dụng: Được sử dụng trong nhiều ứng dụng, từ giao tiếp di động toàn cầu đến dự báo thời tiết và tình báo quân sự. - An ninh: Truyền dẫn thường được bảo mật, được cung cấp bởi thiết bị mã hóa và giải mã. - Hiệu quả Chi phí: Trên những khoảng cách xa, giao tiếp vệ tinh có thể kinh tế hơn so với mạng lưới trên mặt đất. - Độ Tin cậy: Vệ tinh được thiết kế để hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt và có thể duy trì giao tiếp ngay cả trong thời tiết cực đoan [2].
- Sự liền mạch của vệ tinh giúp việc phân phối đồng thời thông tin đòi hỏi nhiều băng thông đến nhiều địa điểm. - Độ trễ cao (High Latency): Vệ tinh Trái Đất đồng bộ quỹ đạo (GEO), được đặt ở khoảng cách xấp xỉ 36.000 km trên bề mặt Trái Đất, gặp phải độ trễ truyền tín hiệu đáng kể, dẫn đến độ trễ cao [3]. Độ trễ này có thể gây hại cho các ứng dụng yêu cầu truyền dữ liệu thời gian thực, như cuộc gọi thoại và phát sóng trực tiếp. - Giảm và nhiễu tín hiệu (Signal Attenuation and Interference): Truyền thông qua vệ tinh có thể bị giảm tín hiệu do điều kiện khí quyển, bao gồm mưa, mây và các hiện tượng thời tiết khác [3].
Sự giảm tín hiệu này có thể làm suy giảm chất lượng của tín hiệu truyền. Thêm vào đó, vệ tinh hoạt động ở tần số cao hơn dễ bị giảm tín hiệu sâu và nhiễu từ các nguồn khá [4]. - Chi phí và độ phức tạp của triển khai: Cơ sở hạ tầng yêu cầu cho các hệ thống vệ tinh, bao gồm chính các vệ tinh và các trạm đất, rất đắt đỏ. Sự phức tạp của việc phóng và duy trì vệ tinh, đặc biệt là đối với những vệ tinh ở quỹ đạo Trái Đất thấp (LEO), làm tăng tổng chi phí [3].
Rào cản tài chính này có thể hạn chế triển khai và duy trì các mạng vệ tinh, đặc biệt là đối với các nước đang phát triển. - Mảnh vỡ quỹ đạo và tuổi thọ hạn chế (Orbital Debris and Limited Lifespan): Vệ tinh có nguy cơ va chạm với mảnh vỡ quỹ đạo, gây ra thiệt hại đáng kể và có thể dẫn đến việc tạo ra thêm rác vũ trụ. Thêm vào đó, vệ tinh có tuổi thọ hoạt động hạn chế do hạn chế nhiên liệu và môi trường khắc nghiệt của không gian, đòi hỏi thay thế và cập nhật thường xuyên [5]. - Vùng phủ sóng và chuyển giao (Coverage and Handovers): Mặc dù vệ tinh cung cấp phủ sóng rộng, việc duy trì dịch vụ liên tục yêu cầu một hệ thống các vệ tinh, đặc biệt là đối với các vệ tinh LEO, di chuyển nhanh so với bề mặt Trái Đất [2].
Việc chuyển giao thường xuyên giữa các vệ tinh có thể làm phức tạp quản lý mạng và làm giảm độ tin cậy. Ứng dụng 8 - Điện thoại: Điểm cố định > trạm mặt đất > Vệ tinh > trạm mặt đất > điểm cố định. - Tivi và radio: Vệ tinh phát sóng trực tiếp (DBS) & Vệ tinh dịch vụ cố định (FSS). - Công nghệ vệ tinh di động: anten đặc biệt được gọi là anten vệ tinh di động, bất kể anten này được gắn ở đâu hoặc như thế nào.
- Đài nghiệp dư: Truy cập vào vệ tinh OSCAR, quỹ đạo trái đất thấp. - Internet: Tốc độ cao, hữu ích cho những nơi xa. - Quân sự: Sử dụng vệ tinh địa tĩnh. Ví dụ: Hệ thống liên lạc vệ tinh quốc phòng (DSCS).
KÊNH TRUYỀN VỆ TINH – MẶT ĐẤT 2. Phân bố Rayleigh Trong môi trường đô thị, tín hiệu nhận được thường bị che khuất hoàn toàn bởi sóng trực tiếp. Trong tình huống như vậy, tín hiệu nhận được sẽ bị chi phối bởi hiện tượng đa đường. Tín hiệu nhận được bao gồm tổng hợp của tất cả các thành phần khuếch tán.
Pha của các thành phần khuếch tán có thể được đặc trưng bởi hàm mật độ xác suất đồng đều trong khoảng từ 0 đến 2π, trong khi biên độ có thể được phân loại bởi phân phối Rayleigh. Phân phối này mô tả thành phần khuếch tán và có thể được biểu diễn dưới dạng tổng pha của một số nguồn điểm tán xạ.1) Trong đó r là biên độ của thành phần khuếch tán, θ là pha của thành phần khuếch tán, φj là pha của thành phần khuếch tán thứ j đối với thành phần trực tiếp, Aj là biên độ ngẫu nhiên của sóng phân tán thứ j đối với thành phần trực tiếp [6].2) 𝜎2 2𝜎2 Trong đó r là đường bao tín hiệu được cho bởi phương trình dưới đây: 𝑟 = √𝑥 2 + 𝑦 2 (2.3) σ2 là công suất nhận trung bình của các thành phần khuếch tán. Kênh truyền mặt đất Nakagami – m h, m, d S D Hình 2.