Băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh

Phổ tần số vô tuyến điện (VTĐ) là nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm. Việc sử dụng, khai thác và quản lý phổ tần số VTĐ phải đạt được hiệu quả, hợp lý, tiết kiệm và bảo vệ được chủ quyền của quốc gia. Ngày 16/12/2005, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 336/2005/QĐ-TTg về việc phê duyệt quy hoạch phổ tần số VTĐ quốc gia. Trong đó quy định các băng tần dành cho các nghiệp vụ bao gồm cả thông tin vệ tinh. Quy hoạch phổ tần số VTĐ quốc gia được thực hiện trên cở sở phân bổ tần số của Liên minh Viễn thông quốc tế (ITU) có tính tới các điều kiện của Việt Nam.

1. Băng tần sử dụng trong thông tin vệ tinh

Các băng tần được phân bổ cho các nghiệp vụ thông tin vệ tinh theo tính chất dịch vụ. Theo Thể lệ VTĐ (Radio Regulation) của ITU, các nghiệp vụ thông tin vệ tinh được phân loại tùy theo mục đích sử dụng như sau:

- Nghiệp vụ cố định qua vệ tinh (Fixed Satellite Service - FSS): Nghiệp vụ cố định qua vệ tinh FSS là dịch vụ thông tin giữa các điểm cố định trên bề mặt trái đất thông qua một hoặc nhiều vệ tinh. Các hệ thống vệ tinh như INTELSAT, INTERSPUTNIK được sử dụng cho viễn thông quốc tế. Còn các hệ thống như EUTELSAT, CS của Nhật Bản hay PALAPA của Indonesia được sử dụng cho viễn thông khu vực hay nội địa.

- Nghiệp vụ di động qua vệ tinh (Mobile Satellite Service - MSS): Nghiệp vụ di động qua vệ tinh MSS là dịch vụ thông tin được sử dụng cho các trạm mặt đất di động được gắn trên tàu biển, ô tô, máy bay hoặc mang, vác, di chuyển với mạng viễn thông cố định. Hệ thống  INMARSAT là một hệ thống quốc tế điển hình của loại dịch vụ này.

- Nghiệp vụ quảng bá qua vệ tinh (Broadcasting Satellite Service - BSS): Nghiệp vụ quảng bá qua vệ tinh BSS là dịch vụ thông tin được dùng để phát các chương trình phát thanh và truyền hình qua vệ tinh. Ngày nay, dịch vụ này đang phát triển mạnh mẽ, kể cả ở khu vực châu Á - Thái Bình Dương.

- Nghiệp vụ dẫn đường qua vệ tinh

- Nghiệp vụ thăm dò trái đất qua vệ tinh.

- Nghiệp vụ khí tượng thủy văn qua vệ tinh.

Hai loại nghiệp vụ FSS, BSS được phát triển rộng rãi và được áp dụng khắp nơi trên thế giới, trong khi dịch vụ MSS cũng ngày càng phát triển. Xu hướng ngày nay của các nước phóng vệ tinh nội địa là phát triển đa dịch vụ.

Các băng tần trong dải từ 300 MHz đến 10 GHz không bị ảnh hưởng lớn bởi các điều kiện truyền sóng qua khí quyển rất phù hợp cho việc triển khai hệ thống thông tin vệ tinh. Bởi vậy, trong những năm trước đây, hệ thống vệ tinh sử dụng băng tần C được hình thành và phát triển nhanh chóng. Tuy nhiên với sự sự chật chội vị trí quỹ đạo và việc phát triển nhanh chóng các công nghệ mới, dịch vụ mới, việc sử dụng các băng tần cao hơn ngày càng trở nên phổ biến. Vì thế, một số năm gần đây các nước đã tích cực triển khai hệ thống vệ tinh băng tần Ku và Ka.

Bảng 1. Thống kê các băng tần do ITU phân bổ cho thông tin vệ tinh

Băng tần (GHz)			Các ứng dụng điển hình
Băng tần	Tuyến lên	Tuyến xuống
6/4 GHz (Băng C)	5,925 - 6,425 (500 MHz)	3,7 - 4,2 (500 MHz)	Băng tần sử dụng rộng rãi nhất cho cả FSS và BSS
	5,725 - 6,275 (575 MHz)	3,4 - 3,9 (500 MHz)	INTERSPUTNIK
	5,850 - 7,075 (1225 MHz)	3,4 - 4,2 4,5 - 4,8 (1100 MHz)	Băng tần C mở rộng
	6,425 - 7,075 (300 MHz)	4,5 - 4,8 (300 MHz)
8/7 GHz (Băng X)	7,925 - 8,425 (500 MHz)	7,25 - 7,75 (500 MHz)	Dùng cho thông tin chính phủ, quân sự; ngày nay đã bắt đầu ứng dụng thương mại
13/11 GHz (Băng Ku)	12,75 - 13,25 (500 MHz)	10,7 - 11,7 (1000 MHz)
	12,75 - 13,25 (500 MHz)	10,7 - 10,95 11,2 - 11,45 (500 MHz)	Băng tần mở rộng Ku
14/11 GHz (Băng Ku)	14 - 14,5 (500 MHz)	10,95 - 11,2 11,45 - 11,7 (500 MHz)	FSS, BSS
14/12 GHz (Băng Ku)	14 - 14,5 14 - 14,25 (500 MHz)	11,7 - 12,2 12,5 - 12,75 (750 MHz)	FSS, BSS
18/12 GHz (Băng K)	17,3 - 18,1 (800 MHz)		BSS feeder links
30/20 GHz (Băng Ka)	27,5 - 31 (3500 MHz)	17,7 - 21,2 (3500 MHz)	Ít sử dụng, sử dụng ở một số nước như Nhật Bản

Việc sử dụng hiệu quả băng tần dùng cho thông tin vệ tinh là rất quan trọng để mở rộng dung lượng hệ thống và loại trừ can nhiễu. Có nhiều phương pháp để nâng cao hiệu quả sử dụng băng tần như sử dụng lại  tần số dùng:

+  Sử dụng phân ly phân cực, phổ biến là phân cực tròn (INTELSAT Băng C - tròn trái và tròn phải) và phân cực tuyến tính (các vệ tinh vùng, nội địa Băng C và băng Ku – trái và phải)

+ Sử dụng phân cách địa lý bằng các chùm tia khác nhau như chùm tia toàn cầu, bán cầu, vùng và điểm.

                      

Để sử dụng hiệu quả băng tần vệ tinh ngoài các phương pháp sử dụng lại tần số, việc ứng dụng các phương thức điều chế và truy nhập vệ tinh cũng không kém phần quan trọng. Vệ tinh Vinasat-1, vệ tinh đầu tiên của Việt Nam được phóng vào ngày 19/42008 là vệ tinh này sử dụng băng tần C và Ku.

2. Đặc điểm của các hệ thống vệ tinh trong các băng tần

Cùng với việc phóng vệ tinh Vinasat, các tổ chức và doanh nghiệp sẽ có nhu cầu thiết lập hàng loạt trạm mặt đất để triển khai hệ thống thông tin qua vệ tinh. Do đó việc tìm hiểu các đặc điểm của các hệ thống vệ tinh trong các băng tần sẽ đem lại nhiều lợi ích và phù hợp với tình hình phát triển công nghệ thông tin vệ tinh của Việt Nam hiện nay. 

Trước đây các hệ thống vệ tinh chủ yếu sử dụng băng tần C và Ku. Hiện tại băng tần Ka cũng đã được đẩy mạnh nghiên cứu và phát triển, do đó trong một số năm gần đây các nước trong khu vực đã triển khai hoặc có kế hoạch triển khai các vệ tinh hoạt động ở băng tần này.

Băng tần C

Băng tần C (6/4 GHz) được sử dụng phổ biến trong các mạng FSS vì điều kiện truyền sóng thuận lợi (ít bị ảnh hưởng do mưa) và thiết bị dễ chế tạo.

Đặc điểm vệ tinh:

Các loại vệ tinh sử dụng băng tần C có dải rộng các đặc tính chính tuỳ thuộc vào mức độ bao phủ trái đất.

Bảng 2: Các tham số chính của vệ tinh trong băng tần C

Tham số	Vùng phủ
	Toàn cầu	Khu vực	Nội địa
Hệ số khuếch đại của anten (dBi) Phát Thu	16 - 25 16 - 25	23 – 26 21 - 25	28 - 32 22 - 30
EIRP (dBW)	22 - 29	25 - 35	25 - 39
Nhiệt độ tạp âm (0K)	800 - 2000	800 - 2000	800 - 2000
G/T (dB/K)	-16 tới -6	-14 tới -4	-21 tới 3

Đặc điểm trạm mặt đất

Khi mới phát triển các trạm mặt đất băng C có kích thước anten lớn. Các trạm mặt đất hoạt động trong mạng lưới vệ tinh INTELSAT có kích thước từ 18 đến 32 m, xu hướng phát triển ngày nay anten trạm mặt đất ngày càng nhỏ đi cùng với việc công suất vệ tinh tăng lên như trong phủ sóng truyền hình hoặc VSAT.

Bảng 3. Các tham số chính của trạm mặt đất trong băng tần C

Tham số	Vùng phủ
	Toàn cầu	Khu vực	Nội địa
Kích thước anten (mét)	4,5 - 32	3 -13	1,2 – 30
Hệ số khuếch đại của anten (dBi)      Phát      Thu	47 - 64 43 - 61	42 - 56 39 - 53	36 - 63 33 - 60
Công suất phát (kW) EIRP (dBW)	0,01 - 3 57 - 99	0,03 - 3 57 - 81	0,001 - 1,2 36 - 94
Nhiệt độ tạp âm (0K)	50 -150	50 - 150	50 - 150
G/T (dB/K)	23 - 41	22 - 38	11 - 41

Băng tần X 8/7 GHz

Băng tần X (7,9-8,4 GHz/7,25-7,75 GHz) được sử dụng nhiều cho các hệ thống thông tin quân sự. Các đặc tính hệ thống vệ tinh ở băng tần này cũng có phạm vi rộng như các hệ thống băng tần C kể trên.

Băng tần Ku 14/11 GHz hoặc 14/12 GHz

Việc sử dụng băng tần Ku hiện nay đã phổ biến, đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu kích thước anten trạm mặt đất nhỏ.

Đặc điểm chính của vệ tinh

Đặc điểm chính vệ tinh của các hệ thống sử dụng băng tần Ku thay đổi rộng tuỳ thuộc vào ứng dụng.

Bảng 4: Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ku điển hình

Tham số	Vùng phủ
	Toàn cầu	Khu vực	Nội địa
Hệ số khuếch đại của anten (dBi) Phát Thu	29 – 37 28 – 36	24 - 29 23 - 28	28 - 35 28 – 38
EIRP (dBW)	38 - 48	35 - 52	44 – 53
Nhiệt độ tạp âm (0K)	800 - 2000	800 - 2000	800 - 2000
G/T (dB/K)	0 – 3	-1 tới 11	-5 tới 9

Đặc điểm trạm mặt đất

Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng (Effective Isotropic Radiated Power – EIRP) của vệ tinh ở băng tần Ku cao cho phép sử dụng anten trạm mặt đất nhỏ, tới 0,6 m. Điều đó cho phép anten trạm đất có thể đặt ở nhà khách hàng, giảm giá thành chi phí và tạo điều kiện phát triển các ứng dụng. Băng tần Ku vì thế đặc biệt thích hợp cho các ứng dụng như phát thanh truyền hình quảng bá tới tận nhà (Direct-To-Home) và dịch vụ VSAT cho các mạng thông tin thương mại.

Bảng 5. Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ku điển hình

Tham số	Vùng phủ
	Toàn cầu	Khu vực	Nội địa
Kích thước anten (m)	3,5 - 17	1 - 12	1 - 11
Hệ số khuếch đại của anten (dBi)      Phát      Thu	52 - 65 50 - 63	42 - 62 40 - 59	42 - 61 40 - 58
Công suất phát (kW) EIRP (dBW)	0,01 - 0,6 62 - 93	0,01 - 0,25 52 - 83	0,01 - 1 52 - 91
Nhiệt độ tạp âm (0K)	150 - 250	150 - 250	150 - 250
G/T (dB/K)	26 - 41	12 - 38	16 - 37

 Băng tần Ka 30/20 GHz

Băng tần Ka được sử dụng rất hạn chế vì điều kiện truyền sóng rất khó khăn do bị suy hao lớn vì mưa. Một số nước đang nghiên cứu thực nghiệm và triển khai tích cực các ứng dụng trên băng tần này như Mỹ, Đức, Italy, Nhật Bản, Hàn Quốc.

Đặc điểm ở băng tần này là phổ tần của băng tần này rất lớn nên có thể dễ dàng sử dụng lại băng tần nhiều lần bằng các chùm tia nhỏ. Tuy nhiên, EIRP của cả vệ tinh và trạm mặt đất phải rất lớn để bù lại suy hao do mưa.

Bảng 6: Các tham số chính của vệ tinh băng tần Ka điển hình

Tham số	Vùng phủ nội địa
Hệ số khuếch đại của anten (dBi) Phát Thu	25 - 50 25 - 50
EIRP (dBW)	37 - 56
Nhiệt độ tạp âm (0K)	1 300 - 1 600
G/T (dB/K)	-5 tới 19

Các đặc điểm trạm mặt đất

Băng tần Ka cho phép sử dụng anten trạm mặt đất rất nhỏ. Tuy nhiên để đảm bảo chỉ tiêu chất lượng của tuyến theo yêu cầu việc sử dụng kỹ thuật Điều khiển công suất phát đường lên (Up-link Power Control UPC) và phân tập trạm mặt đất theo vị trí địa lý là cần thiết.

Bảng 7: Các tham số chính của trạm mặt đất băng tần Ka điển hình

Tham số	Vùng phủ nội địa
Kích thước anten (m)	1 - 13
Hệ số khuếch đại của anten (dBi)      Phát      Thu	45 – 66 42 – 61
Công suất phát (kW) EIRP (dBW)	45 - 92
Nhiệt độ tạp âm (0K)	320 - 400
G/T (dB/K)	17 - 42

3. Đặc điểm hệ thống vệ tinh Vinasat

Sau nhiều năm triển khai dự án Vinasat, giữa tháng 4 vệ tinh đầu tiên của Việt Nam được “cất cánh” và chính thức cung cấp nhiều loại hình dịch vụ nhiều tiềm năng. Vệ tinh Vinasat do nhà sản xuất vệ tinh hàng đầu Lockheed Martin (Mỹ) sản xuất được tên lửa đẩy Lockheed Ariane-V của Pháp đưa vào quỹ đạo địa tĩnh tịa vị trí 132⁰ Đông với trọng lượng 2,7 tấn và có thời gian hoạt động từ 15 đến 20 năm. Vệ tinh Vinasat hoạt động ở băng tần C mở rộng và băng tần Ku.

Đặc điểm băng tần C của vệ tinh Vinasat

Tần số:

+ Số bộ phát đáp băng tần C: 08 bộ (36 MHz/bộ)

+ Tần số phát Tx: 6.425 - 6.725 MHz (sử dụng 2 phân cực tuyến tính H, V)

+ Tần số thu Rx: 3.400 - 3.700 MHz (sử dụng 2 phân cực tuyến tính V, H)

Vùng phủ vệ tinh Vinasat băng tần C bao gồm: Việt Nam,  Đông Nam Á, Đông Trung Quốc, Ấn Độ, Triều Tiên, Nhật Bản, Australia,  Hawaii.

                                      

                                    Hình 1. Vùng phủ vệ tinh Vinasat của băng tần C

Có thể thấy rằng tham số của vệ tinh Vinasat là tốt so với mức chung của khu vực (Công suất bức xạ đẳng hướng hiệu dụng - EIRP tại Việt Nam có thể đạt tới 44dBW, Indonesia có thể đạt 39dBW, Philipine có thể đạt 40dBW) như đã nêu ở trên.

Đặc điểm băng tần Ku của vệ tinh Vinasat

Tần số:

+ Số bộ phát đáp băng tần Ku: 12 bộ (36MHz/bộ)

+  Tần số phát Tx:  13.750  - 14.500 MHz (sử dụng phân cực tuyến tính V)

+ Tần số thu Rx:    10.950  - 11.700 MHz (sử dụng phân cực tuyến tính H)

Vùng phủ vệ tinh Vinasat băng tần Ku chủ yếu bao gồm Việt Nam, Campuchia, Lào, Myanma, Thái Lan, Malaysia, Nam Trung Quốc, Ấn Độ.

                                        

                                         Hình 2. Vùng phủ vệ tinh Vinasat của băng tần Ku

Tham số của vệ tinh Vinasat của băng tần Ku được đánh giá là tốt so với mức chung của khu vực (EIRP tại Việt Nam, Lào, Campuchia có thể đạt tới 54dBW) như đã nêu ở trên.

Kết luận

Hệ thống vệ tinh trong mỗi băng tần có các đặc điểm khác nhau, tham số khác nhau do đó khi nghiên cứu, xây dựng và triển khai hệ thống vệ tinh cũng như hệ thống trạm mặt đất cần được tính toán cụ thể dựa trên các cơ sở, đặc điểm đó. Theo đánh giá, vệ tinh Vinasat của Việt Nam sẽ là vệ tinh có chất lượng tốt, có khả năng cung cấp các dịch vụ với chất lượng cao so với mặt bằng chung của khu vực.