Chuyển động ICT

Hệ thống vệ tinh thông lượng cao băng tần KA

ThS. Nguyễn Huy Cương - Cục Tần số vô tuyến điện • 31/08/2023 16:00

Thông tin vệ tinh đã thay đổi từ tương tự trong những năm 1980 sang kỹ thuật số hiện nay và thông lượng của nó đã phát triển từ vài kbps lên hơn 100 Mbps.

“
Tóm tắt:
- Phát triển vệ tinh băng tần Ka thông lượng cao đang là một xu thế.
- Thế hệ vệ tinh tiếp theo của Việt Nam nên hướng tới vệ tinh thông lượng cao, cung cấp khả năngtinh thông thường. Điều này làm giảm đáng kể chi phí cho mỗi bit.

Thông tin vệ tinh đã mở rộng từ các tần số thấp hơn như băng tần L và băng tần C, sang băng tần Ku và Ka được sử dụng phổ biến do kích thước ăng-ten đầu cuối nhỏ hơn và dung lượng cao hơn. Các băng tần Ku và Ka, được cả hệ thống vệ tinh GSO và NGSO sử dụng để cung cấp kết nối vệ tinh cho các ứng dụng khác nhau.

Nhu cầu liên lạc vệ tinh băng thông rộng ngày càng tăng trong những năm gần đây cung cấp nhu cầu kết nối tốc độ cao cho người dùng vẫn chưa được kết nối. Băng tần Ka-band (18-31 GHz) cho thông tin vệ tinh là cơ sở cho một thế hệ dịch vụ mới vệ tinh thông lượng cao (HTS).

Hệ thống vệ tinh băng tần Ka

Băng tần Ka được phân bổ toàn cầu trên cơ sở là nghiệp vụ chính cho FSS (nghiệp vụ vệ tinh cố định - fixed-satellite service) và có một số lượng lớn các mạng vệ tinh GSO FSS hoạt động trong các băng tần này, cũng như các hệ thống NGSO FSS. Tại khu vực châu Á, số lượng vệ tinh băng tần Ka cũng khá nhiều.

Vệ tinh thông lượng cao (HTS)

HTS là một vệ tinh viễn thông cung cấp khả năng tăng đáng kể khi sử dụng cùng một lượng phổ quỹ đạo so với các vệ tinh viễn thông thông thường. Sự gia tăng dung lượng thường dao động từ 2 đến hơn 100 lần dung lượng so với vệ tinh thông thường. Điều này làm giảm đáng kể chi phí cho mỗi bit.

Để đạt được mức tăng đáng kể này, HTS tận dụng công nghệ búp sóng vùng phủ nhỏ (chùm tia) và tái sử dụng tần số ở mức độ cao. Công nghệ chùm tia sử dụng nhiều chùm tia hẹp cho phép nó sử dụng lại cùng một dải tần số. Sự khác biệt chính giữa FSS (vệ tinh truyền thống) và HTS là kích thước của các vùng phủ vệ tinh của chúng trên mặt đất, như được minh họa trong hình dưới đây:

Hình 1 Minh họa vùng phủ búp sóng trên vệ tinh truyền thống và vùng phủ búp sóng trên vệ tinh HTS

Một vệ tinh truyền thống có búp sóng vùng phủ rộng, nghĩa là nó sử dụng một tần số duy nhất để bao phủ toàn bộ khu vực địa lý. Do đó, vệ tinh chỉ có thể sử dụng một tần số. Mặc dù vùng phủ sóng rộng là một lợi thế cho các dịch vụ quảng bá, nhưng nó không đủ để hỗ trợ các yêu cầu về thông lượng của dịch vụ băng thông rộng. Ngược lại, đối với vệ tinh HTS, các búp sóng phủ rộng được thay thế bằng nhiều búp sóng nhỏ bao phủ các khu vực nhỏ hơn. Với sự cách ly địa lý giữa các búp sóng, có thể sử dụng lại cùng một dải tần số. Những điểm này mang lại lợi ích gấp đôi cho hệ thống vệ tinh HTS:

- Độ lợi ăng ten cao hơn: do tính định hướng cao hơn, cho phép sử dụng các thiết bị đầu cuối người dùng nhỏ hơn.

Bảng. Hệ thống vệ tinh Ka-band ở khu vực châu Á Thái Bình Dương

- Tái sử dụng tần số: khi khu vực dịch vụ mong muốn được bao phủ bởi nhiều búp sóng nhỏ có thể sử dụng lại cùng một dải tần số và phân cực, tăng công suất của hệ thống vệ tinh lên nhiều lần.

Về các phương pháp tái sử dụng tần số, các thiết kế hệ thống vệ tinh khác nhau có thể khác nhau. Ví dụ, có thể trong phương án tái sử dụng 4 tần số (phương pháp 4 màu), mỗi búp sóng được chỉ định một nửa băng thông khả dụng và hoạt động trên một trong hai phân cực (RHCP và LHCP).

Một cụm gồm 4 búp sóng được hưởng lợi từ băng thông tương đương bằng hai lần băng thông (Bw) được phân bổ cho vệ tinh, do tái sử dụng tần số bởi các phân cực trực giao. Do đó, tổng băng thông phổ có sẵn cho hệ thống vệ tinh bằng:

Ở đây: Nb: là số búp sóng của vệ tinh; Nc: là số màu (ở đây là 4); Bwtotal: là tổng băng thông.

Hình 2: Mô hình thiết kế đa búp sóng sử dụng 4 tần số-phân cực (4 mầu)

2Nb /Nc được gọi là hệ số tái sử dụng tần số. Với vệ tinh HTS băng tần Ku, số búp sóng thường từ 80-140, hiệu suất sử dụng băng tần tăng 20-35 lần. Với vệ tinh HTS băng Ka, số chùm từ 200-400, hiệu suất sử dụng băng tần tăng 50-100 lần.

Hình 3: Dự báo dung lượng cung cấp cho thị trường của vệ tinh HTS và chùm vệ tinh

Ứng dụng người dùng chính của HTS là dịch vụ truy cập Internet băng thông rộng (điểm tới điểm) tới các khu vực không được phục vụ hoặc phục vụ không đầy đủ bởi các công nghệ trên mặt đất. Ở những khu vực không có hoặc có thể không có băng thông rộng chất lượng cao thông qua cơ sở hạ tầng mặt đất, công nghệ vệ tinh là giải pháp phù hợp nhất. Ngoài kết nối cơ bản ở vùng sâu vùng xa đang được cung cấp với công nghệ vệ tinh, những vệ tinh như vậy cũng thích hợp cho mạng di động, chúng cung cấp các kết nối dung lượng cao để hỗ trợ các trạm gốc bị cô lập của các mạng di động với chi phí thấp.

Năm 2005, vệ tinh HTS đầu tiên được phóng lên quỹ đạo là vệ tinh Anik F-2 (Telesat). Hiện nay có 120 vệ tinh HTS đang hoạt động, chiếm 32% tổng số vệ tinh địa tĩnh. Theo dự báo của Euroconsult thì vệ tinh HTS tiếp tục tăng trưởng trong tương lai. Tuy nhiên tăng trưởng của vệ tinh HTS chỉ ở mức khiêm tốn so với chùm vệ tinh. Dự báo đến năm 2026 tổng dung lượng vệ tinh băng rộng đạt 62,7 Tbps trong đó vệ tinh HTS chiếm khoảng 10%.

Một số dự án vệ tinh HTS của các nhà khai thác vệ tinh lớn:

- Viasat phóng vệ tinh HTS (Viasat-1) đầu tiên năm 2011, vệ tinh có dung lượng 140Gbps. Năm 2017, Viasat phóng vệ tinh Viasat-2 có dung lượng lớn gần gấp đôi 260Gbps. Sau đó Viasat có kế hoạch xây dựng hệ thống chùm vệ tinh địa tĩnh phủ toàn cầu với 03 vệ tinh HTS băng Ka (Viasat-3), có dung lượng lên tới 3000 Gbps trị giá khoảng 2,3 tỷ đô. Vệ tinh đầu tiên của Viasat-3 phóng vào tháng 4/2023.

- Eutelsat phóng vệ tinh vệ tinh KA-SAT có dung lượng 90Gbps với 82 búp sóng băng Ka vào năm 2010. Tiếp theo Eutelsat phóng 4 vệ tinh HTS vào các năm 2014, 2015, 2016, 2017. Năm 2022, phóng vệ tinh Konnect VHTS có 230 búp sóng băng Ka, dung lượng 500 Gbps cung cấp dịch vụ cho châu Âu và châu Phi.

Hình 4: Các búp sóng của vệ tinh KA-SAT

Hình 5: Thiết kế vùng phủ toàn cầu đa búp sóng của 3 vệ tinh HTS của Inmarsat

- Năm 2012, Hughes phóng vệ tinh Jupiter 1 có dung lượng 120Gb/s. Năm 2016, phóng vệ tinh Jupiter 2, dung lượng 200Gb/s. Dự kiến, phóng vệ tinh Jupiter-3 có dung lượng 500 Gbps vào tháng 5/2023, trị giá khoảng 445 triệu USD. Các vệ tinh của Hughes phủ khu vực Bắc Mỹ và Nam Mỹ.

- Năm 2013-2015, Inmarsat phóng 3 vệ tinh (GX1- GX3) trong chùm vệ tinh Global Xpress (GX) băng tần Ka, cung cấp đầy đủ dịch vụ vệ tinh toàn cầu vào tháng 9/2015. Tháng 5/2017, Inmarsat phóng vệ tinh thứ tư GX4. Tháng 11/2019, phóng vệ tinh GX5 có dung lượng bằng 4 vệ tinh trước đó cộng lại (GX1-GX4). Dự kiến năm 2023 phóng 3 vệ tinh GX7, GX8, GX9.

Bàn luận và kiến nghị

Hiện nay, Việt Nam đang có hai vệ tinh viễn thông hoạt động ở băng tần C và Ku và đang có kế hoạch thay thế 02 vệ tinh viễn thông này. Phát triển vệ tinh băng tần Ka thông lượng cao đang là một xu thế.

Nếu phát triển tốt được thị trường vệ tinh trong nước và kinh doanh quốc tế, thế hệ vệ tinh tiếp theo của Việt Nam nên hướng tới vệ tinh thông lượng cao, cung cấp khả năng kết nối bằng các thiết bị cầm tay hoạt động ở mọi lúc và mọi nơi, cả thông qua mạng tích hợp mặt đất và vệ tinh.

Tài liệu tham khảo:

1. Tài liệu AWG-31/TMP-40.

2. High throughput satellite report 6th edition - https://www. euroconsult-ec.com/press-release/high-throughput-satellites- poised-to-become-leading-commercial-growers-in-space- infrastructure-with-wholesale-capacity-revenues-projected- to-top-100b-by-2030.

(Bài đăng ấn phẩm in Tạp chí TT&TT số 7 tháng 7/2023)