Hệ thống thông tin vệ tinh chuyển tiếp gói - Xu hướng tương lai của thông tin vệ tinh

Với sự phát triển của công nghệ vệ tinh hiện nay, vệ tinh đang chuyển dần từ việc chuyển tiếp thông tin truyền thống thành các vệ tinh tiên tiến xử lý trên trạm, trong đó có vệ tinh chuyển tiếp gói. Bài báo trình bày những nét cơ bản về hệ thống thông tin vệ tinh chuyển tiếp gói: Khái quát hệ thống, cấu trúc, các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống … từ đó làm rõ những đặc trưng của hệ thống thông tin vệ tinh chuyển tiếp gói.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong xu thế hội tụ mạng viễn thông và mạng máy tính, mạng viễn thông dần chuyển sang chuyển mạch gói với mạng NGN. Một trong các đặc trưng của mạng chuyển mạch gói đó là các gói tin được lưu trữ và xử lý tại nút theo nguyên tắc của mạng hàng đợi.

Với vai trò là một thành phần trong mạng viễn thông thống nhất, thông tin vệ tinh chắc chắn phải tương thích với sự phát triển của mạng mặt đất. Quá trình chuyển tiếp thông tin, vệ tinh đóng vai trò là điểm nút vì thế việc xử lý, chuyển tiếp gói trên vệ tinh là hết sức cần thiết. Chính vì vậy các thế hệ vệ tinh viễn thông tiên tiến đều thực hiện xử lý trên trạm. Ngoài ra trong các dịch vụ gói, khi truyền qua vệ tinh sẽ chịu những ảnh hưởng của đường truyền vệ tinh như độ trễ hay suy hao truyền sóng rất lớn. Do đó cần phải phân tích những đặc trưng cơ bản của hệ thống thông tin vệ tinh chuyển tiếp gói để từ đó có những giải pháp nâng cao hiệu năng hệ thống.

II. KHÁI QUÁT HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH

Hệ thống vệ tinh chuyển tiếp truyền thống

Vệ tinh thông tin sử dụng các máy thu/phát vô tuyến, còn được gọi là bộ phát đáp. Bộ phát đáp là thiết bị chuyển tiếp đối với tín hiệu vô tuyến thu được trên vệ tinh, nó thực hiện xử lý và sau đó phát trở lại trạm mặt đất. Bộ phát đáp thường được xác định bằng băng thông (36, 54 hoặc 72 MHz), công suất bức xạ đẳng hướng tương đương EIRP (40 dBW tới 54 dBW) và khả năng xử lý trên quỹ đạo.

Ban đầu các bộ phát đáp khá đơn giản, chỉ bao gồm một vài phân hệ: Anten phát và thu, máy thu với khuếch đại tạp âm thấp (LNA), bộ đổi tần và máy phát khuếch đại công suất cao (HPA). Kiểu phát đáp truyền thống này hiện vẫn phổ biến. Do không có thay đổi đối với tín hiệu, ngoại trừ việc chuyển đổi tần số sóng mang và khuếch đại công suất, nên vệ tinh với bộ phát đáp loại này được gọi là vệ tinh chuyển tiếp truyền thống.

Bộ phát đáp truyền thống gần như trong suốt đối với người dùng do chúng phát trở lại về cơ bản là cùng một thông tin, cùng một trình tự như khi nhận được, đó là sự chuyển tiếp tín hiệu thuần túy. Điều này là đủ cho hầu hết các ứng dụng vệ tinh trong quá khứ và hiện tại nhưng có thể là không đủ đối với mạng vệ tinh chuyển tiếp gói số. Hình 1 mô tả cấu trúc cơ bản của một đường truyền vệ tinh truyền thống.

Hệ thống vệ tinh xử lý trạm

Như đã nêu ở trên, vệ tinh chuyển tiếp truyền thống chỉ thay đổi các tham số tần số và công suất với tín hiệu điều chế số, còn tín hiệu vẫn ở dạng tương tự. Điều đó nghĩa là nếu có méo tín hiệu tương tự ở đường lên thì méo này sẽ được khuyếch đại và đổi tần thành tần số đường xuống, như vậy chất lượng của tín hiệu đường xuống thậm trí còn thấp hơn. Điều này tác động tiêu cực đến chất lượng tín hiệu thu đường xuống và tỉ số công suất sóng mang trên tạp âm (C/N) toàn tuyến và ảnh hưởng trực tiếp đến tỉ số lỗi bit của tín hiệu số.

Vệ tinh chuyển tiếp truyền thống cũng buộc tín hiệu đi theo cùng một tuyến, tất cả các tín hiệu trên bộ phát đáp sẽ luôn tồn tại cùng nhau. Đây là một hạn chế trong một số ứng dụng liên kết mạng, khi cần chuyển mạch linh hoạt để cung cấp dịch vụ tốt hơn.

Công nghệ bộ phát đáp mới, cho phép áp dụng nhiều giải pháp khác nhau để tránh những hạn chế trên. Loại phát đáp này được sử dụng trên các vệ tinh thông minh được gọi là vệ tinh xử lý trên trạm (On-Board Processing - OBP), do chúng xử lý tín hiệu đường lên theo nhiều cách khác nhau trước khi chuyển tiếp chúng sang đường xuống.

Hai loại phổ biến của vệ tinh OBP đang được ứng dụng nhiều bao gồm các dạng chuyển mạch vệ tinh: Chuyển mạch búp sóng; chuyển mạch gói và định tuyến.

Chuyển mạch búp sóng là việc sử dụng một số anten phát và/hoặc thu (hoặc búp hướng) trên vệ tinh, để gửi thông tin tới các vùng lựa chọn (sóng) nhìn thấy từ vệ tinh. Nó cho phép tái sử dụng các tần số giống nhau cho các vùng phủ sóng khác nhau, nhờ vậy nâng cao dung lượng vệ tinh khi các vùng phủ sóng đủ xa nhau để tránh nhiễu. Vệ tinh nhận biết tín hiệu đến phải được gửi tới búp sóng nào, bằng cách sử dụng các tần số kết nối xác định hoặc bằng cách đọc địa chỉ của gói. Đây là một cách rất hiệu quả để định tuyến các kết nối đến trạm riêng hoặc điểm – điểm.

Loại chuyển mạch vệ tinh khác là dùng vệ tinh như một nút mạng thông minh. Trong các kiến trúc liên mạng gói như ATM hay TCP/IP, để các gói tuân theo một tuyến xác định hoặc định tuyến tới nút kết cuối của chúng thì thông tin cần thiết sẽ chứa trong phần mào đầu gói trong suốt thời gian kết nối. Quá trình định tuyến được thực hiện bằng thiết bị kết nối chéo (chuyển mạch) dựa vào kế hoạch kết nối được lưu trữ trong bộ nhớ (bảng định tuyến). Như vậy, chuyển mạch sẽ đọc các tham số kết nối ảo của nó và gửi gói tới kênh vật lý qua cổng ra thích hợp.

 Hình 2. Phân loại kiến trúc vệ tinh OBP

Mạng vệ tinh băng rộng đang phát triển dựa trên công nghệ xử lý trên trạm, cho phép sử dụng vệ tinh làm nút mạng để định tuyến và chuyển tiếp nhanh hơn. Các vệ tinh thương mại sử dụng công nghệ chuyển mạch đã được phát triển như ITALSAT – Ý, OLYMPUS – Châu Âu, ACTS – NASA.

III. HỆ THỐNG THÔNG TIN VỆ TINH CHUYỂN TIẾP GÓI

Trễ truyền dẫn trên đường truyền vệ tinh chuyển tiếp gói làm giảm thông lượng khi cần tương tác hai chiều giữa hai đầu của tuyến. Đặc biệt khi các thiết bị cần trao đổi thông tin điều khiển luồng bao gồm việc thiết lập kết nối và xác nhận thu. Chuẩn thông tin số liệu phổ biến nhất là TCP/IP yêu cầu phát lại các khối bị lỗi khi lỗi được phát hiện. Mặc dù một số kỹ thuật đã được phát triển để khắc phục vấn đề này nhưng vẫn chưa giải quyết được triệt để.

Tất cả các vệ tinh chuyển tiếp truyền thống chỉ hoạt động ở lớp vật lý, chỉ các vệ tinh OBP mới thực hiện các chức năng liên quan tới lớp liên kết dữ liệu hay lớp mạng như chuyển mạch gói và định tuyến. Đây là hướng phát triển trong tương lai của các vệ tinh viễn thông, nó đảm bảo dung lượng băng rộng trong mạng số toàn cầu với kiến trúc của mạng vệ tinh chuyển tiếp gói.

Mạng vệ tinh thường được xác định bằng kiến trúc mạng, mô hình lớp giao thức, kích cỡ và topo mạng. Mặc dù các mạng vệ tinh có chung một kiến trúc chung nhưng vẫn có sự khác biệt liên quan đến chuẩn chuyển mạch của mạng mà trong trường hợp này là truyền IP hoặc ATM qua vệ tinh. Mạng ATM vệ tinh (SATM) thường yêu cầu các thông tin thêm do các thông số lớp vật lý ở đây rất khác biệt so với mạng cáp quang (mạng mà ban đầu thiết kế B-ISDN dự kiến sử dụng).

Mạng IP vệ tinh được thiết kế chủ yếu cho các ứng dụng Internet  (tương thích với TCP ) không phù hợp cho các ứng dụng thời gian thực như thoại. Trong khi đó, các mạng mặt đất được thiết kế mang lưu lượng gói chủ yếu dựa trên kỹ thuật truyền dẫn quang, với sự giảm cấp rất ít của tín hiệu, không nhiễu và với cấu hình điểm tới điểm. Các mạng quang quan trọng như SONET, SDH, FDDI có khả năng mang các dịch vụ gói tốc độ cao.

Kiến trúc mạng vệ tinh xử lý trên trạm (OBP)

Các vệ tinh OBP xử lý trên trạm có ưu điểm là đạt được kết nối không hạn chế, giảm trễ truyền dẫn và tạo khả năng định tuyến gói giữa các trạm mặt đất hoặc vệ tinh tùy theo công nghệ của vệ tinh và topo mạng.

Các vệ tinh OBP có thể có khả năng chuyển mạch ATM hay IP, như vậy nó có thể truy nhập vào lớp mạng và lớp liên kết dữ liệu gói, đọc thông tin về kênh hay đường dẫn ảo và chuyển tiếp gói qua đường phù hợp nhất tùy thuộc nội dung bảng định tuyến tại trạm. Thay vì các cổng đầu ra chỉ ở lớp vật lý, vệ tinh OBP có thể sử dụng tần số, mã, búp sóng anten hoặc khe thời gian hoàn toàn khác cho đầu ra.

                                Hình 3. Kiến trúc mạng vệ tinh OBP

 Hình 3 mô tả kiến trúc mạng vệ tinh OBP. Ở đây vệ tinh là một phần của mạng gói và có thể thực hiện những chức năng tới tận lớp mạng. Một số mạng vệ tinh băng rộng hoạt động ở quỹ đạo thấp (LEO) với nhiều vệ tinh chuyển động trên các mặt phẳng quỹ đạo khác nhau. Điều này giúp giảm trễ truyền dẫn, từ đó cải thiện thời gian trễ hệ thống do quỹ đạo, các vệ tinh này có thể thực hiện chuyển mạch trên trạm.

Hình 4. Kiến trúc chuyển mạch vệ tinh trong mạng vệ tinh chuyển mạch gói

 Như đã nêu ở trên, chuyển mạch trên trạm giúp cải thiện nhiều thông lượng tổng của mạng vệ tinh do các gói có thể được định tuyến giữa các vệ tinh lân cận cho tới khi đến được đích mong muốn.

Mạng vệ tinh loại này không chỉ thực hiện chuyển mạch mà còn định tuyến tới người dùng sử dụng thuật toán định tuyến đường ngắn nhất. Đây không phải là nhiệm vụ đơn giản về công nghệ do các vệ tinh chuyển mạch di chuyển nhanh với các trạm cổng mặt đất thay đổi tới nhiều mạng mặt đất khác nhau. Vì thế các vệ tinh phải có bảng định tuyến toàn cầu được cập nhật thời gian thực liên tục. Thực tế, các vệ tinh cập nhật bảng định tuyến từ các trạm cổng dưới vùng phủ vệ tinh ngay khi nó xuất hiện và sử dụng các thuật toán định tuyến ở các nút mặt đất. Hình 4 mô tả kiến trúc điển hình của mạng vệ tinh chuyển mạch gói băng rộng.

IV. CHẤT LƯỢNG DỊCH VỤ TRONG HỆ THỐNG VỆ TINH CHUYỂN TIẾP GÓI

Mạng vệ tinh phải được thiết kế đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) mà các ứng dụng yêu cầu. QoS bao gồm các thông số như tỉ số lỗi bít hoặc tỉ số lỗi gói, độ khả dụng của đường truyền, thông lượng, độ trễ. Ta thấy rằng trong mạng chuyển mạch gói, QoS được áp dụng từ đầu cuối tới đầu cuối trong suốt thời gian của phiên do đó với mạng vệ tinh chuyển tiếp gói cần chú ý đến những phiên kéo dài.

Nhiều tham số có thể được cải thiện như kích thước bộ nhớ đệm, số bộ nhớ và các hằng số phụ thuộc thời gian khác tùy vào giao thức mạng, và thay đổi theo loại ứng dụng, ví dụ như thời gian thực hay không thời gian thực. Công nghệ chuyển tiếp gói là lựa chọn hàng đầu cho hầu hết các mạng vệ tinh băng rộng do tích hợp dễ dàng với mạng mặt đất và các mạng vệ tinh dựa trên nền IP thích hợp và đã giải quyết được hầu hết các hạn chế liên quan tới yêu cầu thời gian thực.

Tuy nhiên như đã nói ở trên, với việc truyền dẫn gói qua mạng vệ tinh thì vấn đề cơ bản của việc đảm bảo QoS nằm ở cả thời gian trễ ứng với đường truyền vệ tinh địa tĩnh (GEO) điển hình cũng như thời gian trễ ở mạng chuyển mạch gói mặt đất thông thường. Các trễ này có thể ở một trong hai dạng: Liên tục hoặc biến đổi. Các trễ liên tục thường gắn với quá trình xử lý cuộc gọi, chuyển mạch, định tuyến hoặc truyền dẫn. Chúng có thể dài hoặc ngắn nhưng thường cố định và vì vậy có thể dự đoán [5]. Các trễ biến đổi bao gồm sự biến đổi của lưu lượng tạo nên các hàng đợi tại các bộ chuyển mạch, định tuyến sinh ra trượt và trễ bộ đệm giả ngẫu nhiên, hoặc các lỗi bit hay lỗi gói yêu cầu phải phát lại do đó làm giảm thông lượng. Nói cách khác, các trễ biến đổi gây ra rất nhiều vấn đề cho việc quản lý chất lượng mạng.

Hiệu năng hệ thống vệ tinh chuyển tiếp gói

Có hai thách thức chính trong việc quản lý mạng vệ tinh IP và ATM. Thứ nhất đó là thông lượng (số gói có thể chuyển tiếp mỗi giây), và thứ hai là kích thước (bao nhiêu đầu cuối từ xa có thể được xử lý đồng thời). Cả hai trường hợp đều có chung một thành phần đó là độ rộng băng tần yêu cầu (hoặc sẵn có). Với các vệ tinh GEO truyền thống, độ rộng băng tần tối đa phải luôn sẵn sàng, độc lập với kỹ thuật đa truy nhập. Chính vì lý do này mà kỹ thuật đa truy nhập phải được lựa chọn cẩn thận.

Các tham số chính đánh giá hiệu năng hệ thống vệ tinh chuyển tiếp gói bao gồm:

Tích độ rộng băng tần và trễ

Tích độ rộng băng tần và trễ là một hệ số chất lượng xác định số bit tồn tại trong kênh khi phát với dung lượng tối đa. Với t_p biểu diễn thời gian truyền lan giữa hai trạm mặt đất bất kỳ liên lạc qua vệ tinh (s) và c là dung lượng kênh vệ tinh (b/s), khi đó tích độ rộng băng tần – trễ được biểu diễn:

Tích độ rộng băng tần và trễ cho biết có số bit có mặt trong kênh, với các ứng dụng với độ trễ cao như đường truyền vệ tinh GEO nó có thể đạt tới lượng thông tin lớn. Tích này rất quan trọng với các ứng dụng số liệu tốc độ cao.

Lưu đệm

Nếu một tín hiệu với thời gian truyền lan 280ms, mang thông tin 2,048Mb/s, tích độ rộng băng tần và trễ là 573,44kb. Nghĩa là tại bất kỳ thời điểm nào luôn có 573,44kb truyền lan qua không gian ở cả hai hướng mà không có mặt tại phía phát hay thu. Nếu các bit này bị lỗi thì cần phải phát lại hoặc thực hiện sửa lỗi trước FEC. Trường hợp phát lại, tất cả các thông tin đã gửi được lưu tạm thời tại bộ lưu đệm cho tới khi không cần nữa. Lưu đệm sử dụng nhiều bộ nhớ, đặc biệt với những ứng dụng có tích độ rộng băng tần và trễ lớn do tất cả các dữ liệu này phải sẵn sàng để phát lại cho tới khi nhận được tín hiệu báo nhận. Quản lý bộ lưu đệm là việc khó khăn trong mạng vệ tinh đặc biệt với các ứng dụng băng rộng và đa phương tiện.

Thông lượng

Các lỗi bit có thể xảy ra khi một phần lưu lượng đến tại vệ tinh bị ảnh hưởng bởi pha đinh khi truyền dẫn (ví dụ do mưa), nên sẽ yêu cầu phát lại các gói bị lỗi. Do cùng một thông tin được truyền hai lần nên rõ ràng là hiệu quả sẽ giảm đi. Tỉ số giữa các gói (hoặc bit) hữu ích chia cho tổng số gói (hoặc bit) đã truyền trong một khoảng thời gian được gọi là thông lượng.Việc đảm bảo thông số này là yêu cầu quan trọng đối với hệ thống vệ tinh chuyển tiếp gói.

Điều khiển nghẽn

Nghẽn được xác định là trạng thái mà mạng không có khả năng đáp ứng QoS yêu cầu cho các kết nối đã thiết lập và/hoặc cho các yêu cầu kết nối mới. Để tránh nghẽn, cần thiết lập các thủ tục điều khiển lưu lượng (phòng nghẽn) và thủ tục điều khiển nghẽn (giảm thiểu mật độ và thời gian nghẽn). Trễ lớn có thể làm tăng đáng kể thời gian chờ trong cơ chế hồi tiếp để điều khiển ngẽn, ảnh hưởng tiêu cực đến chỉ tiêu QoS toàn cục đặc biệt với mạng vệ tinh nơi chịu ảnh hưởng của trễ truyền lan rất lớn.

V. KẾT LUẬN

 Với tỉ lệ ngày càng cao của dịch vụ số liệu khiến cho mạng gói ngày càng phát triển. Hệ thống vệ tinh trong mạng gói sẽ phải có những thay đổi nhất định để phù hợp với quá trình chuyển gói, trong đó đặc biệt quan tâm tới trễ tuyền dẫn của đường truyền vệ tinh. Cả vệ tinh truyền thống và vệ tinh OBP tiến tiến đều có thể sử dụng cho mạng gói, tuy nhiên chỉ các vệ tinh OBP mới thực sự đảm bảo đường truyền cho mạng gói và ở mức cao hơn sẽ đóng vai trò là một nút mạng trong mạng gói. Khi đó trên vệ tinh, ngoài việc chuyển tiếp thông tin còn có thể thực hiện việc định tuyến gói giúp rút ngắn thời gian định tuyến của mạng gói.

Từ những phân tích trên, ta thấy rõ những vấn đề còn bỏ ngỏ trong các hệ thống thông tin vệ tinh OBP đó là trễ đối với các gói dịch vụ khác nhau, thông lượng mạng, dung lượng kênh khi tính đến trễ.  Do đó, việc nghiên cứu, đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng cho hệ thống thông tin vệ tinh chuyển tiếp gói là hết sức cần thiết.

VI. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Fayez Gebali, “Analysis of Computer and Communication Networks”, Springer, 2008.

[2] Linghang Fan, Haitham Cruickshank, Zhili Sun, “IP Networking over Next-Generation Satellite Systems”, International Workshop, Springer, 2007.

[3] Roberto Conte, “Satellite Rural Telephone Network Design: A Methodology for Performance Optimization”, Doctor thesis, 2000.

[4] Sastri L. Kota, Kaveh Pahlavan, Pentti A. Leppänen, “Broadband satellite communications for Internet access”, Kluwer Academic Publisher., 2004.