Sự khác nhau chủ yếu giữa vệ tinh truyền thống và vệ tinh HTS là vệ tinh truyền thống có búp sóng rộng bao phủ cả một khu vực như một quốc gia, châu lục. Ngược lại, vệ tinh HTS sử dụng đa búp sóng (multiple spot beams) để bao phủ một khu vực nhất định [3]. Điều này đem lại hai lợi thế: cho phép tái sử dụng tần số giữa các búp sóng giúp dung lượng vệ tinh HTS tăng lên rất nhiều; công suất của búp sóng cao hơn giúp ăng ten của trạm mặt đất nhỏ hơn [4] thuận lợi cho người sử dụng.
Công nghệ đa búp sóng
Khác với vệ tinh truyền thống sử dụng ăng-ten một mặt phản xạ với một feed horn (đầu thu phát sóng của ăng-ten), ăng-ten vệ tinh HTS gồm nhiều mặt phản xạ với rất nhiều feed horn để tạo ra nhiều búp sóng. Sử dụng phổ biến nhất là hệ thống ăng-ten với 4 mặt phản xạ cùng với một dãy feed horn, mỗi feed horn tạo ra 1 búp sóng [5]. Thiết kế hệ thống ăng-ten được minh họa như hình sau:
Với vệ tinh HTS, các búp sóng càng nhỏ thì tái sử dụng tần số càng lớn, dung lượng càng cao. Tuy nhiên, để thu nhỏ búp sóng cần tăng kích thước ăng-ten. ITU khuyến nghị về đường kính búp sóng [6]: Băng Ku từ 500 – 650 Km; băng Ka từ 190 – 300 Km; băng V/Q khoảng 125 Km; băng C không được khuyến nghị sử dụng để triển khai vệ tinh HTS do ở băng tần này yêu cầu kích thước ăng-ten lớn.
Ngoài ra, với thiết kế nhiều búp sóng, dung lượng lớn yêu cầu vệ tinh HTS có kích thước lớn [7], công suất cao [8]
Tái sử dụng tần số của vệ tinh HTS
Vệ tinh HTS sử dụng phương pháp 4 tần số-phân cực để tái sử dụng tần số là phổ biến. Phương pháp này được thực hiện như sau (xem hình 3): 01 dải tần số được chia thành 02 đoạn băng tần bằng nhau, mỗi đoạn băng tần sử dụng hai phân cực khác nhau (phân cực tròn trái và phân cực tròn phải) để tạo ra 4 tần số-phân cực khác nhau. Một tần số-phân cực được tái sử dụng nhiều lần cho các búp sóng không phủ liền kề nhau (để tránh nhiễu). Với mô hình này thì hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên N/4 (N là số lượng búp sóng của vệ tinh) so với vệ tinh truyền thống.
Vệ tinh HTS băng tần Ku, số búp sóng thường từ 80-160 thì hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên 20-40 lần. Với vệ tinh HTS băng tần Ka, số búp sóng thường từ 200-400 thì hiệu quả sử dụng băng tần tăng lên 50-100 lần [9]
Dự báo phát triển vệ tinh HTS trong thời gian tới
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 [10]. Một số dự án vệ tinh HTS của khu vực, của các công ty lớn đã triển khai điển hình:
- Thaicom (Thái Lan) phóng vệ tinh Thaicom 4 (năm 2005) là một trong các vệ tinh HTS đầu tiên, có 84 búp sóng băng Ku, dung lượng 45 Gbps.
- Measat (Malaysia) phóng vệ tinh MEASAT-3d (năm 2022), có 8 búp sóng băng Ka, dung lượng 30 Gbps.
- PSN (Indonesia) dự kiến phóng vệ tinh SATRIA-1 (quý III/2023), có 116 búp sóng băng Ka, dung lượng 150 Gbps và vệ tinh Nusantara Lima (quý IV/2023), dung lượng 160 Gbps.
- Viasat (Mỹ) phóng vệ tinh HTS đầu tiên Viasat-1 (năm 2011), dung lượng 140 Gbps; Viasat-2 (năm 2017), dung lượng 260 Gbps. Viasat đang có kế hoạch xây dựng hệ thống 03 vệ tinh HTS phủ toàn cầu băng Ka, dung lượng lên tới 3000 Gbps.
- Eutelsat (Pháp) phóng vệ tinh vệ tinh KA-SAT (năm 2010), dung lượng 90 Gbps băng Ka; phóng 4 vệ tinh HTS Eutelsat 65 West A (năm 2016), Eutelsat 172B (2017), Eutelsat Konnect (2020), Eutelsat 10B (2021). Vệ tinh Konnect VHTS (năm 2022), dung lượng 500 Gbps cung cấp dịch vụ cho Châu Âu và Châu Phi.
- Hughes (Mỹ) phóng vệ tinh Jupiter 1 (năm 2012), dung lượng 120Gb/s; Jupiter 2 (năm 2016), dung lượng 200Gb/s; dự kiến phóng Vệ tinh Jupiter-3 (năm 2023), dung lượng 500 Gbps.
Inmarsat (Anh) phóng 3 vệ tinh (GX1- GX3) trong chùm vệ tinh Global Xpress (GX) băng tần Ka, cung cấp dịch vụ toàn cầu; vệ tinh thứ tư GX4 (năm 2017); vệ tinh GX5 (năm 2019) có dung lượng bằng 4 vệ tinh trước đó cộng lại (GX1-GX4). Inmarsat dự kiến phóng 3 vệ tinh GX7, GX8, GX9 năm 2023.
Theo dự báo của Euroconsult thì vệ tinh HTS tiếp tục tăng trưởng trong tương lai [11]. 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%.
Nhu cầu vệ tinh HTS tại Việt Nam
- Thực tế thị trường thông tin qua vệ tinh tại Việt Nam ước khoảng 1 Gbps [12]. Nếu phóng vệ tinh HTS (ở băng tần Ku, vị trí 132oE mà Việt Nam đang có quyền sử dụng) thì dung lượng đạt khoảng 27-36 Gpbs [13], dư thừa rất nhiều so với nhu cầu của thị trường.
- Cáp quang biển Việt Nam kết nối quốc tế qua Hồng Kông, Singapore, Nhật Bản, Malaysia có tổng dung lượng trên tuyến khoảng 18 Tbps, dự kiến cuối 2023 đầu 2024 dung lượng tăng thêm 36 Tbps lên 54 Tbps. Dung lượng thực tế đang sử dụng trên tuyến thường khoảng 8-10 Tbps.
Nếu dùng vệ tinh HTS dự phòng cho cáp quang biển thì triển khai các búp sóng phủ sóng cho 4 nước nêu trên. Tại điểm trung chuyển của cáp quang (HUB), mỗi nơi chỉ được phủ tối đa bởi một búp sóng ở băng tần Ku và một búp sóng băng tần Ka. Do đó, dung lượng vệ tinh kết nối với mỗi HUB sẽ là dung lượng của 1 búp sóng ở băng tần Ku (khoảng 6-8 Gbps) [14] cộng với dung lượng của 1 búp sóng ở băng tần Ka (khoảng 18-24 Gbps) [15], tương đương khoảng 24-32 Gbps. Vì vậy, tổng dung lượng vệ tinh kết nối với 4 HUB nêu trên sẽ khoảng 96-128 Gbps, so với dung lượng thực tế đang sử dụng trên tuyến cáp quang chỉ đạt khoảng 0,96-1,6%.
Từ những phân tích trên có thể thấy, vệ tinh HTS cho phép tăng dung lượng của vệ tinh hơn nhiều so với vệ tinh truyền thống. Tuy nhiên, vệ tinh đòi hỏi thiết kế phức tạp và chi phí cao hơn. Trong thời gian tới, Việt Nam cần tiếp tục nghiên cứu khả năng ứng dụng của vệ tinh và chủ động chuẩn bị sẵn sàng về tần số, quỹ đạo cho vệ tinh HTS.
Phòng HT&PHTSQT
[1] Theo Euro Consult 2021, nguồn: https://www.itu.int/en/ITU-D/Conferences/ET/2021/Documents/presentations/ 09072021S6-opportunity-of-satellite-connectivity.pdf
[2] Theo Viasat, nguồn: https://www.viasat.com/about/viasat-3/
[3] Theo khuyến nghị ITU-R S.1782-1, nguồn: https://www.itu.int/rec/R-REC-S.1782/en
[4] Ăng ten trạm mặt đất của vệ tinh truyền thống có đường kính 60-120 cm, ăng-ten của trạm mặt đất vệ tinh HTS có đường kính 40-45cm.
[5] Daniel Martinez-de-Rioja (2021) – Parapolic reflectarray antenna to generate multiple beams for geostationary high throughput satellites in Ka-band. International Journal of Microwave and Wireless Technologies.
[6] Theo khuyến nghị ITU-R S.1782-1, nguồn: https://www.itu.int/rec/R-REC-S.1782/en
[7] Vệ tinh truyền thống như VINASAT-1 có khối lượng 2,6 tấn, trong khi các vệ tinh HTS như vệ tinh Viasat-2 có khối lượng 6,4 tấn, Jupiter-1 có khối lượng 6,1 tấn, vệ tinh Konnect VHTS có khối lượng 6,4 tấn.
[8] VINASAT-1 có công suất 2kW, trong khi vệ tinh Viasat-2 có công suất 12 kW, vệ tinh Jupiter-1 có công suất 16,1 kW, vệ tinh Konnect VHS có công suất 20 kW.
[9] Hệ số này là tính toán theo lý thuyết, thực tế chỉ đạt khoảng 50-75% so với mức lý thuyết (Innovations in Satellite communications-Wiley).
[10] Nguồn SES cung cấp, https://www.ses.com/
[11] Nguồn: 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/
[12] Khảo sát thực tế nhu cầu thị trường khoảng 30 bộ phát đáp 36 MHz tương đương 1 Gbps.
[13] Băng tần Ku có băng thông 1 GHz với hiệu suất sử dụng tần số khoảng 3-4 bit/Hz kết hợp với việc sử dụng 2 phân cực, vùng phủ hiện nay cần 18 búp sóng sẽ cho dung lượng khoảng: 1 GHz x 2 x 18/4 x 3-4 bit/Hz = 27-36 Gbps.
[14] Băng tần Ku có băng thông 1 GHz với hiệu suất sử dụng tần số khoảng 3-4 bit/Hz kết hợp với việc sử dụng 2 phân cực sẽ cho dung lượng khoảng: 1 GHz x 2 x 3-4 bit/Hz = 6-8 Gbps.
[15] Băng tần Ka có băng thông 3 GHz với hiệu suất sử dụng tần số khoảng 3-4 bit/Hz kết hợp với việc sử dụng 2 phân cực sẽ cho dung lượng khoảng: 3 GHz x 2 x 3-4 bit/Hz = 18-24 Gbps.