Nghiên cứu và sử dụng hệ thống định vị dùng để quản lý xe khách

LỜI MỞ ĐẦU Thế giới của con người ngày nay có được là nhờ một phần của sự phát triển với tốc độ nhanh chóng của khoa học công nghệ. Những chiếc máy tính thô sơ đã được cải tiến nhờ công nghệ bán dẫn và mạch tích hợp, những hệ điều hành ngày càng thông minh và gần gũi với người sử dụng, những phát minh trong lĩnh vực vũ trụ và phát triển mạng lưới thông tin…rất nhiều thành tựu trong từng lĩnh vực đã làm thay đổi cuộc sống của chúng ta. Từ những cách thức quản lý công việc, điều hành cuộc sống, tìm kiếm thông tin v..v.. đều chuyển biến và có những tiến bộ vượt bậc đem lại những hiệu quả to lớn. Lĩnh vực giao thông cũng nằm trong xu thế đó. Ngày nay các mạng lưới giao thông phát triển rộng khắp, các phương tiện hoạt động thường xuyên và phương thức quản lý cũng đòi hỏi chuyên nghiệp và hiệu quả hơn. Trên thế giới, cùng với sự ra đời của ứng dụng dân sự của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS, bài toán quản lý giao thông, trong đó có quản lý các phương tiện giao thông đã được nghiên cứu và phát triển thành các giải pháp khá hoàn chỉnh. Ở Việt Nam, đã có một số đề tài và nghiên cứu về hệ thống định vị để quản lý xe khách sử dụng GPS . Tại Việt Nam hiện nay mạng lưới thông tin di động toàn cầu (GSM) đã và đang phát triển và hứa hẹn với nhiều công nghệ mới, đem lại nhiều giá trị cao. Đặc biệt với phạm vi phủ sóng và tính ứng dụng rộng rãi, mạng di động trở thành một mạng lưới thông tin rất hữu ích.

LỜI NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

……….…

Hà Nội, ngày….tháng… năm 2012

LỜI MỞ ĐẦU

Thế giới của con người ngày nay có được là nhờ một phần của sự phát triển vớitốc độ nhanh chóng của khoa học công nghệ Những chiếc máy tính thô sơ đã được cảitiến nhờ công nghệ bán dẫn và mạch tích hợp, những hệ điều hành ngày càng thôngminh và gần gũi với người sử dụng, những phát minh trong lĩnh vực vũ trụ và pháttriển mạng lưới thông tin…rất nhiều thành tựu trong từng lĩnh vực đã làm thay đổicuộc sống của chúng ta Từ những cách thức quản lý công việc, điều hành cuộc sống,tìm kiếm thông tin v v đều chuyển biến và có những tiến bộ vượt bậc đem lại nhữnghiệu quả to lớn

Lĩnh vực giao thông cũng nằm trong xu thế đó Ngày nay các mạng lưới giaothông phát triển rộng khắp, các phương tiện hoạt động thường xuyên và phương thứcquản lý cũng đòi hỏi chuyên nghiệp và hiệu quả hơn Trên thế giới, cùng với sự ra đờicủa ứng dụng dân sự của hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS, bài toán quản lý giaothông, trong đó có quản lý các phương tiện giao thông đã được nghiên cứu và pháttriển thành các giải pháp khá hoàn chỉnh Ở Việt Nam, đã có một số đề tài và nghiêncứu về hệ thống định vị để quản lý xe khách sử dụng GPS

Tại Việt Nam hiện nay mạng lưới thông tin di động toàn cầu (GSM) đã và đangphát triển và hứa hẹn với nhiều công nghệ mới, đem lại nhiều giá trị cao Đặc biệt vớiphạm vi phủ sóng và tính ứng dụng rộng rãi, mạng di động trở thành một mạng lướithông tin rất hữu ích

Với những lý do trên nhóm chúng em đã quyết tâm tìm hiểu và thực hiện một hệthống định vị để quản lý xe khách sử dụng hệ thống định vị GPS và công nghệ GPRS

mà cụ thể là đề tài “ Nghiên cứu và sử dụng hệ thống định vị dùng để quản lý xe

khách ”

Hà Nội, ngày….tháng… năm 2012

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện, đến nay đồ án tốt nghiệp với đề tài

“Nghiên cứu và sử dụng hệ thống định vị dùng để quản lý xe khách ” do thầy Bùi

Thanh Lâm hướng dẫn đã được hoàn thiện Trong suốt thời gian nghiên cứu và thi

công đề tài, chúng em đã gặp không ít những khó khăn nhất định và đã nhận đượcnhiều sự giúp đỡ nhiệt thành và quý báu

Trước tiên, chúng em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy Bùi Thanh Lâm đã tin

tưởng giao đồ án, chỉ đạo và hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình thực hiện đề tài.Chúng em cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô giáo trong khoa

Cơ Khí – Bộ Môn Cơ Điện Tử , các bạn trên các diễn đàn điện tử, cùng toàn thể cácbạn sinh viên lớp Cơ Điện Tử 2 –K3 đã động viên, góp ý, tạo điều kiện thuận lợi nhấtgiúp cho chúng em được hoàn thành đề tài đúng tiến độ được giao

Do năng lực và thời gian còn hạn chế nên việc tìm thêm nhiều tài liệu làm giàucho đồ án còn thiếu sót Chúng em rất mong nhận được nhiều hơn nữa ý kiến đónggóp của các thầy cô giáo, sự chia sẻ tài liệu của các bạn sinh viên để chúng em có thểhoàn thiện hơn kiến thức của mình

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

1.2 Phương hướng xây dựng đề tài

2.2 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM và công nghệ GPRS

2.2.1 Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin di động.

2.2.2 Tổng quan về mạng thông tin di động số tế bào.

2.2.3 Giao diện vô tuyến

2.3.6 Các dịch vụ hỗ trợ

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA HÓA HỆ THỐNG

3.1 Thiết kế mạch điều khiển

CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Giới thiệu chung

Xuất phát từ nhu cầu thực tế, nhất là trong thời kỳ mở rộng về hoạt động của các

hệ thống vận tải, giao thông yêu cầu quản lý chuyên nghiệp, hiệu quả, bài toán quản lý

và giám sát phương tiện giao thông trở nên rất bức thiết

Bài toán này đã đặt ra cho hệ thống một số yêu cầu sau:

- Giám sát các phương tiện: xác định vị trí, theo dõi, cập nhật các trạng thái của

phương tiện: bao gồm cả các yếu tố bên trong phương tiện

- Quản lý các phương tiện: tìm kiếm, kiểm tra…

- Tương tác 2 chiều, điều khiển phương tiện từ xa.

- Độ mở rộng và khả năng phục vụ lớn…

Một số giải pháp hiện nay :

- Cắt cử nhân viên theo dõi, ghi nhận các báo cáo bằng văn bản, hoặc đường điệnthoại

- Sử dụng các module GPS – Galileo: các module này có chức năng thu tín hiệu

từ các hệ thống vệ tinh định vị, qua đó tính toán xác định được vị trí của thiết bị đótheo hệ tọa độ địa lý: bao gồm kinh độ, vĩ độ và độ cao

- GIS: là hệ thống phần mềm địa lý có chức năng tiếp nhận thông tin về vị trí địa

lý, sau đó xử lý và hiển thị trên hệ thống bản đồ số Ví dụ như hệ thống quản lý tàuđánh cá thông qua bộ đàm, quản lý taxi…

Tuy nhiên trong thực tế vẫn tồn tại các vấn đề :

- Đối với việc quản lý bằng các nhân viên cử theo các chuyến xe: tốn kém vềnhân lực và chưa hiệu quả Khả năng giám sát và điều khiển chưa chuyên nghiệp

- Việc sử dụng các module xác định vị trí bằng GPS còn đơn giản, các thiết bịhầu hết được nhập khẩu nguyên chiếc, ứng dụng đơn thuần xác định vị trí Bên cạnh

đó giá thành còn cao và không chủ động được về mặt kỹ thuật

- Với một số hệ thống quản lý thông tin về bản đồ số như GIS: tuy đã xây dựngtheo mô hình hệ thống mức độ phổ biến chưa cao Ứng dụng mang tính chuyên biệt,đặc biệt là mức chi phí đầu tư lớn, chủ động về mặt kỹ thuật bị hạn chế.

1.2 Phương hướng xây dựng đề tài

Để khắc phục các thực trạng trên và tìm ra một giải pháp tối ưu hơn nhóm đã kếthợp giữa công nghệ GPS và mạng di động GSM (cụ thể là công nghệ GPRS) để đưa ramột hệ thống tối ưu hơn:

- Chi phí đầu tư, chi phí bảo trì và sử dụng thấp

Hình 1.1 Sơ đồ thiết kế hệ thống

1.3 Các vấn đề đặt ra

Từ khi nhận được đề tài “ Nghiên cứu và sử dụng hệ thống định vị dùng để quản lý xe khách ”, nhóm nhận thấy đây là một đề tài có nhiều module lắp ráp và khi tiến hànhtriển khai sẽ gặp nhiều khó khăn:

Thứ nhất, về tài liệu đề tài do không phổ biến nên gây ra nhiều khó khăn trong việctìm hiểu đề tài

Thứ hai, truyền thông qua internet trên nền tảng GPRS là vấn đề mới đòi hỏi cácthành viên nhóm phải nỗ lực hết mình và năng động trong quá trình tìm hiểu

Thứ ba , ………

CHƯƠNG 2 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ DÙNG ĐỂ QUẢN

Mỹ tài trợ để thực hiện nghiên cứu hệ thống dẫn đường dựa trên vũ trụ Bộ Quốcphòng Mỹ là cơ quan thiết kế và điều khiển hệ thống định vị toàn cầu Trong nhómnhững người tham gia điều hành dự án GPS của Bộ Quốc Phòng Mỹ cần kể tới sựđóng góp to lớn của TS Ivan Getting, người sáng lập The Aerospace Corporation, và

TS Bradford Parkinson, chủ tịch hội đồng quản trị của The Aerospace Corporation

Hệ thống định vị toàn cầu (Global Positioning System - GPS) được Chính phủ Mỹthiết lập năm 1995, là hệ thống định vị, dẫn hướng và định thời trên không trung được

sử dụng rộng rãi nhất hiện nay Hệ thống vệ tinh này cung cấp miễn phí các dịch vụ cóliên quan, bao gồm các hoạt động dân sự và quân sự cho người sử dụng trên toàn thếgiới Việc áp dụng công nghệ GPS không chỉ phổ biến cho việc sử dụng dân sự, từ ôtô,máy bay đến điện thoại di động, mà cũng là một bộ phận không thể thiếu của hệ thống

an ninh và bảo vệ quốc phòng

Hệ thống định vị toàn cầu (GPS-Global Positioning System) là một mạng gồm 24

vệ tinh Navstar quay xung quanh Trái đất tại độ cao 11.000 dặm (17.600 km) Được

Bộ Quốc Phòng Mỹ ấn định chi phí ban đầu vào khoảng 13 tỷ USD, song việc truynhập tới GPS là miễn phí đối với mọi người dùng, kể cả những người ở các nước khác.Các số liệu định vị và định thời được sử dụng cho vô số những ứng dụng khác nhaubao gồm hàng không, đất liền và hàng hải, theo dõi các phương tiện giao thông trên bộ

và tầu biển, điều tra khảo sát và vẽ bản đồ, quản lý tài sản và tài nguyên thiên nhiên.Với việc khắc phục được những giới hạn về độ chính xác quân sự vào tháng3/1996, ngày nay GPS có thể chỉ ra chính xác vị trí của các mục tiêu chỉ nhỏ bằngđồng 10 xu ở bất kỳ nơi nào trên bề mặt trái đất

Vệ tinh GPS đầu tiên đã được phóng vào năm 1978 Mười vệ tinh đầu tiên là các

vệ tinh ‘mở mang’, gọi là Block 1 (Lô 1) Từ năm 1989 đến năm 1993 có 23 vệ tinhkhai thác, gọi là Block 2 (Lô 2) đã được phóng lên quỹ đạo Vệ tinh thứ 24 đượcphóng nốt vào năm 1994 đã hoàn thành hệ thống

Vệ tinh bay với vận tốc cao cứ 12 tiếng đồng hồ thì đủ một vòng quỹ đạo Cho đếnnay đã có tổng số 28 vệ tinh, trong đó 24 chiếc đang hoạt động và 4 chiếc kia dùng để

dự phòng khi có một chiếc nào bị hỏng

Quỹ đạo bay của hệ thống vệ tinh này cũng được sắp xếp để bất cứ chỗ nào trêntrái đất đều nhận thấy ít nhất là 4 vệ tinh đang bay ngang trên trời Nhiệm vụ của thiết

bị GPS là làm sao nhận được tín hiệu phát ra từ các vệ tinh bay ngang trên trời … tốithiểu là từ ba vệ tinh Một khi máy đã nhận được tín hiệu phát ra từ các vệ tinh thì cácmạch điện tử trong máy sẽ đo và biết được khoảng cách từ các vệ tinh cũng như tọa độcủa nó

Trong vài giây đồng hồ máy sẽ làm bài toán và cho giải đáp ngay đó là tọa độ củamáy, phương pháp này trong toán học gọi là TRILATERATION (phép đo 3 cạnh tamgiác) Tọa độ này cho bạn biết từ vĩ tuyến cho đến kinh tuyến chính xác đến mức độtới từng giây

Một số hệ thống toàn cầu và khu vực khác như hệ thống Galileo do liên minhChâu Âu và Cơ quan vũ trụ Châu Âu thiết lập Hệ thống dẫn hướng trong không trungGLONASS của Nga, Hệ thống QZSS của Nhật Bản và Hệ thống BEIDOU của TrungQuốc hiện đang được xây dựng Sau nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng Chương trình dẫnhướng vệ tinh Galileo, một sáng kiến hợp tác giữa liên minh Châu Âu và Cơ quan Vũtrụ Châu Âu, cuối cùng đã nhận được sự khẳng định để sử dụng và chương trình nàyrất giống với trọng tâm chính sách của Mỹ Các thực thể quản lý và cơ quan an ninhcũng được yêu cầu phát hiện và bảo vệ chống lại việc sử dụng các hệ thống này mộtcách phi pháp và cho các mục đích chống đối Nỗ lực duy trì Chương trình GLONASScho thấy dự định của Nga ủng hộ GNSS riêng của mình Hệ thống do Chính phủ liênbang Nga quản lý bao gồm 21 vệ tinh, có quỹ đạo quay quanh 3 hành tinh khác nhau

Từ sau năm 1995 hệ thống GPS vẫn tiếp tục được duy trì và bảo dưỡng cũng như thaythế những vệ tinh già tuổi Năm 2000, số vệ tinh trong chòm GPS đã tăng lên 28 vệtinh Những vệ tinh thế hệ GPS-IIR đã và đang được phóng lên để thay thế những vệ

tinh già tuổi Vệ tinh được phóng lên ngày 16/9/2005 mang tên GPS-IIR-M1, là vệtinh đầu tiên thuộc thế hệ 8 chiếc vệ tinh hiện đại nhất GPS-IIR-M Theo websiteSpace-Based Postioning, Navigation and Timing của chính phủ Mỹ “Chính phủ Mỹcam kết cung cấp tối thiểu 24 vệ tinh GPS hoạt động trên quĩ đạo với 95% thời gian.Không lực Mỹ (USA Air Force) phóng các vệ tinh bổ sung có chức năng dự trữ đểphòng cho thời gian bảo dưỡng định kỳ các vệ tinh và bảo đảm tính sẳn có của ít nhất

24 vệ tinh hoạt động Từ 28/08/2009, đã có 35 vệ tinh trong chòm GPS, với 30 vệ tinh

‘khỏe mạnh’ cho người sử dụng” Do đó, chòm 30 vệ tinh đang thực sự bay như mộtchòm 24 vệ tinh

là những vệ tinh mẫu phát triển được dùng để kiểm tra hệ thống Bịmất một vệ tinh do phóng trượt

26/4/1980

Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện những bộ cảm ứng Hệthống phát hiện tiếng nổ hạt nhân hoạt động tổng hợp (IntegratedOperational Nucluear Detonation Detection System (IONDS)sensors)

1982

Bộ Quốc phòng thông qua quyết định giảm số vệ tinh của chòm

vệ tinh GPS từ 24 xuống 18 tiếp theo sau tái cấu tạo lại chương trìnhchính do Quyết định 1979 của Văn phòng Thư ký Bộ Quốc phònggây ra để cắt giảm kinh phí 500 triệu đô la (khoảng 30%) từ ngânsách cho giai đoạn năm tài chính FY81-FY86

14/7/1983 Phóng vệ tinh GPS đầu tiên thực hiện hệ thống dò tìm tiếng nổ

hạt nhân (NDS) mới hơn

Theo the Soviet downing of Korean Air flight 007, tổng thốngReagan hứa cho GPS được sử dụng cho các máy bay dân dụng hoàntoàn miễn phí khi hệ thống đưa vào sử dụng Sự kiện này đánh dấu sựbắt đầu lan tỏa công nghệ GPS từ quân sự sang dân sự

4/1985

Hợp đồng thiết bị người sử dụng chính đầu tiên được giao choJPO Hợp đồng bao gồm việc nghiên cứu, phát triển cũng như lựachọn sản xuất các máy thu GPS dùng cho máy bay, tàu thủy và máythu xách tay (gọn nhẹ)

1987

Bộ Quốc phòng chính thức yêu cầu Bộ Giao thông (Department

of Transport, DOT có trách nhiệm thiết lập và cung cấp một vănphòng đáp ứng nhu cầu người sử dụng dân sự về thông tin GPS, dữliệu và hỗ trợ kỹ thuật Tháng 2 năm 1989, Coast Guard có tráchnhiệm làm đại lý hướng dẫn Dịch vụ GPS Dân sự (civil GPS service)

1988

Khảo sát trở thành một thị trường GPS thương mại đầu bảngđược “nâng cánh” Để bù cho số vệ tinh giới hạn có sẵn trong quátrình phát triển chòm vệ tinh, các nhà khảo sát đã chuyển qua số kỹthuật nâng cao độ chính xác bao gồm kĩ thuật GPS Vi phân (DGPS)

và kỹ thuật truy theo pha sóng mang (carrier phase tracking)

3/1988 Thư ký Air Force thông báo về việc mở rộng chòm GPS tới 21 vệ

tinh cộng thêm 3 vệ tinh dự phòng

14/2/1989

Vệ tinh đầu tiên của các vệ tinh Block II đã được phóng từ CapeCanaveral AFT, Florida, trên dàn phóng Delta II (Delta II booster).Phi thuyền con thoi (Space Shuttle) làm bệ phóng theo kế hoạch chocác vệ tinh Block II được Rockwell Intenational đóng Tiếp theo tainạn Challenger 1986, Văn phòng Chương trình Kết hợp (JPO) xemxét lại và đã sử dụng Delta II làm bệ phóng vệ tinh GPS SA(Selective Availabity) và AS (Anti-spoofing

21/6/1989 Hãng Martine Marietta (sau khi mua xong General Electric Astro

Space Division vào năm 1992) được thắng hợp đồng xây dựng 20 vệ

tinh bổ sung (Block IIR) Chiếc vệ tinh Block IIR đầu tiên sẵng sàng

để phóng vào cuối năm 1996

1990

Hãng Trimble Navigation, nhà sản xuất bán máy thu GPS hàngđầu thế giới được thành lập năm 1978 hoàn thành loạt sản phẩm banđầu

25/3/1990

DOD theo Kế hoạch Dẫn đường Vô tuyến Liên bang, lần đầu tiênkhởi động (kích hoạt) SA (Selective Availability) làm giảm độ chínhxác dẫn đường GPS có chủ định

1990-1991 GPS được các lực lượng liên minh dùng lần đầu tiên trong điều

kiện chiến tranh trong Chiến tranh Vịnh Ba Tư

29/8/1991 SA được kích hoạt lại sau Chiến tranh Vịnh Ba Tư

1/7/1991

Mỹ đã cho phép cộng đồng thế giới sử dụng dịch vụ định vị tiêuchuẩn (SPS).GPS bắt đầu từ năm 1993 trên cơ sở liên tục và miễnphí trong vòng ít nhất 10 năm Lời đề nghị này được thông báo trongHội nghị Dẫn đường Hàng không lần thứ 10 (the 10th Air NavigationConference) của Tổ chức Hàng không Dân dụng Quốc tế (ICAO,International Civil Aviation Organization)

5/9/1991

Mỹ mở rộng lời đề nghị 1991 vào Hội nghị thường niên ICAObằng cách cho phép thế giới sử dụng SPS trong tương lai, việc nàyphụ thuộc vào việc có đủ vốn, cung cấp dịch vụ này tối thiểu 6 năm

có thông báo trước về việc chấm dứt hoạt động GPS hoặc xóa bỏSPS

Bộ Trưởng Bộ Quốc phòng chính thức thông báo Khả năng hoạtđộng đầu tiên của GPS, có nghĩa là 24 vệ tinh trên quỹ đạo hệ thốngGPS không còn là hệ thống đang triển khai nữa mà GPS đã có khảnăng duy trì độ chính xác ở mức độ sai số 100 mét và có sẵn trên toàncầu liên tục cho người sử dụng SPS như đã hứa

17/2/1994

Người quản trị FAA David Hinson thông báo GPS là một hệthống dẫn đường đầu tiên đã được thông qua để sử dựng làm phươngtiện hỗ trợ dẫn đường độc lập cho tất cả các phương tiện bay thôngqua tiếp cận không chính xác (nonprecision approach)

6/6/1994 Người quản trị FAA David Hinson thông báo ngừng phát triển

Hệ thống Hạ cánh Vi sóng (MLS) cho việc hạ cánh Loại II và III

11/1994

Hãng Orbital Sciences, một nhà sản xuất tên lửa và vệ tinh hàngđầu thế giới đồng ý mua hãng Magellen Corp., một nhà sản xuất máythu GPS cầm tay ở California bằng trao đổi chứng khoán trị giá 60triệu đô la Mỹ, mang lại cho Orbital tiến gần tới mục tiêu trở thànhcông ty viển thông hai chiều dựa vào vệ tinh

8/6/1994

Người quản trị FAA David Hinson thông báo thực hiện Hê thốnggia tăng vùng rộng (WAAS, Wide Area Augmentation System) nhằmmục đích cải thiện tính hợp nhất GPS và tăng tính sẵn có cho người

sử dụng dân sự trên tất cả các phương tiện bay Giá chương trình theo

dự tính mất 400-500 triệu đô la Mỹ Chương trình này được lập kếhoạch thực hiện vào khoảng năm 1997

11/10/1994

Ủy ban hành động dẫn đường định vị Bộ Giao thông (theDepartment of Transportation Positioning / Navigation ExecutiveCommittee) được thành lập để cung cấp diễn đàn qua đại lý nhằmthực hiện chính sách GPS

14/10/1994 Người quản trị FAA David Hinson nhắc lại lời đề nghị (US’s

offer) làm GPS-SPS có sẵn trong tương lai, dựa trên cơ sở liên tục và

toàn cầu miễn phí cho người sử dụng trực tiếp trong thư gửi choICAO.

16/3/1995

Tổng thống Bil Clinton tái khẳng định rằng Mỹ cung cấp tín hiệuGPS cho cộng đồng người sử dụng dân dụng thế giới trong thư gửicho ICAO

28/08/2009 Có 35 vệ tinh trong chòm GPS

2.1.2 Các thành phần của GPS

Hệ thống vệ tinh GPS chia làm 3 phần:

• Phần không gian (space segment): Các vệ tinh

• Phần điều khiển (control segment ): Trạm mặt đất

• Phần người sử dụng (user segment): Bộ thu tín hiệu

Hình 2.1 Sơ đồ liên quan giữa ba phần của hệ thống định vị toàn cầu.

2.1.2.1 Phần không gian

Gồm 28 quả vệ tinh (24 vệ tinh hoạt động và 4 vệ tinh dự trữ khi có một chiếc nào

bị hỏng) (tính đến năm 2000) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất Chúng chuyểnđộng ổn định, hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ Các vệ tinh nàychuyển động với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trísao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳthời điểm nào

Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời Chúng có các nguồn pin dựphòng để duy trì hoạt động khi chạy khuất vào vùng không có ánh sáng Mặt Trời Các

tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định

Hình 2.2 Chuyển động vệ tinh nhân tạo xung quanh trái đất

2.1.2.2 Phần điều khiển

Mục đích trong phần này là kiểm soát vệ tinh đi đúng hướng theo quỹ đạo và thôngtin thời gian chính xác Có tất cả 5 trạm kiểm soát được đặt rải rác trên trái đất Bốntrạm kiểm soát hoạt động một cách tự động, và một trạm kiểm soát là trung tâm ởColorado Springs bang Colarado của Mỹ Bốn trạm này nhận tín hiệu liên tục từnhững vệ tinh và gửi các thông tin này đến trạm kiểm soát trung tâm Tại trạm kiểmsoát trung tâm, nó sẽ sửa lại dữ liệu cho đúng và kết hợp với hai anten khác để gửi lạithông tin cho các vệ tinh

Phần điều khiển có 5 trạm quan sát có nhiệm vụ như sau:

• Giám sát và điều khiển hệ thống vệ tinh liên tục

• Quy định thời gian hệ thống GPS

• Dự đoán dữ liệu lịch thiên văn và hoạt động của đồng hồ trên vệ tinh

• Cập nhật định kỳ thông tin dẫn đường cho từng vệ tinh cụ thể

Hình 2.3 Phần điều khiển của GPS

2.1.2.3 Phần người sử dụng

Phần người sử dụng là khu vực có phủ sóng mà người sử dụng dùng anten và máythu tín hiệu từ vệ tinh và có được thông tin vị trí, thời gian và vận tốc di chuyển

Các bộ thu GPS của người sử dụng bao gồm anten, bộ xử lý và một đồng hồ có độ

ổn định cao được đặt ở tần số truyền dẫn của các vệ tinh Chúng cũng có thể bao gồmcác bộ phận hiển thị để cung cấp các thông tin vị trí, tốc độ, hay bản đồ chỉ đường.Một bộ thu GPS được mô tả với số kênh Nó cho biết số lượng vệ tinh tối đa mà bộthu có thể xử lý đồng thời Hiện nay, số kênh của bộ thu GPS thường đạt tới 12 đến 20kênh

Đa số các bộ thu GPS có thể truyền tải dữ liệu tính toán được tới máy tính hay cácthiết bị khác sử dụng giao thức NMEA 0183 hay chuẩn mới hơn và ít sử dụng hơn làNMEA 2000 Ngoài ra cũng có các giao thức khác như SiRF hay MTK Bộ thu GPS

có thể truyền dữ liệu tới các thiết bị khác thông qua giao tiếp nối tiếp, USB hayBlueTooth

2.1.3 Hoạt động của hệ thống

Với GPS, các tín hiệu từ các vệ tinh sẽ đi tới các vị trí chính xác của người dùng vàđược đo theo phép tam giác đạc Để thực hiện phép tam giác đạc, GPS đo khoảng cáchthông qua thời gian hành trình của bản tin vô tuyến từ vệ tinh tới một máy thu mặt đất

Để đo thời gian hành trình, GPS sử dụng các đồng hồ rất chính xác trên các vệ tinh,một khi khoảng cách tới vệ tinh đã được đo thì việc biết trước về vị trí vệ tinh trongkhông gian sẽ được sử dụng để hoàn thành tính toán Các máy thu GPS trên mặt đất cómột “cuốn niên giám” được lưu trữ trong bộ nhớ máy tính của chúng để chỉ thị mỗi vệtinh sẽ có mặt nơi nào trên bầu trời vào bất kỳ thời điểm nào Các máy thu GPS sẽ tínhtoán các thời gian trễ qua tầng đối lưu và khí quyển để tiếp tục làm chính xác hơn phép

đo vị trí

Để bảo đảm chắc chắn vệ tinh và máy thu đồng bộ với nhau, mỗi vệ tinh có bốnđồng hồ nguyên tử chỉ thời gian chính xác tới 3 ns, tức ba phần tỷ giây Nhằm tiếtkiệm chi phí, các đồng hồ trong các máy thu dưới đất được làm ít chính xác hơn đôi

chút Bù lại, một phép đo tầm hoạt động vệ tinh được trang bị thêm Phép đo lượnggiác chỉ ra rằng, nếu ba số đo chính xác định vị được vị trí một điểm trong không gian

ba chiều thì một phép đo thứ tư có thể loại bỏ mọi độ chênh lệch thời gian nào đó.Phép đo thứ tư này chỉnh lại sự đồng bộ hoá không hoàn hảo của máy thu

Khối mặt đất thu nhận tín hiệu vệ tinh đi tới với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng, vớitốc độ như vậy tín hiệu cũng phải mất một lượng thời gian đáng kể để tới được máythu Sự chênh lệch giữa thời điểm tín hiệu được gửi đi và thời điểm tín hiệu được thunhận với tốc độ ánh sáng cho phép máy thu tính được khoảng cách tới vệ tinh Để đolường chính xác độ cao, kinh độ và vĩ độ, máy thu đo thời gian các tín hiệu từ một số

vệ tinh truyền tới máy thu

GPS sử dụng một hệ tọa độ gọi là Hệ thống Trắc địa học Toàn cầu 1984 (WGS84 Worldwide Geodetic System 1984) Hệ thống này tương tự như các đường kẻ kinhtuyến và vĩ tuyến quen thuộc thường thấy trên các bản đồ treo tường cỡ lớn Hệ thốngWGS - 84 cung cấp một khung tham chiếu gắn sẵn tiêu chuẩn hoá, cho phép các máythu của bất kỳ hãng sản xuất nào cũng cung cấp đúng cùng một thông tin định vị

-2.1.4 Bộ thu GPS.

Bộ thu GPS tính toán vị trí của nó bằng việc tính toán và so sánh thời gian truyềntín hiệu từ lúc nó được gửi từ vệ tinh đến khi nhận được tại bộ thu trên mặt đất Mỗi vệtinh truyền liên tục các bản tin có chứa thời gian bản tin được gửi đi, thông tin quỹ đạochính xác, tình trạng hệ thống chung Bộ thu GPS đo thời gian truyền của mỗi bản tingửi từ vệ tinh và tính toán khoảng cách tới vệ tinh đó Phép đo hình học ba cạnh tamgiác được sử dụng để kết hợp các khoảng cách này cùng vị trí của các vệ tinh để xácđịnh vị trí của bộ thu Tuy nhiên trên thực tế, một sai số nhỏ của thời gian nhân vớivận tốc rất lớn của ánh sáng (cũng là vận tốc lan truyền của sóng điện từ) sẽ gây ra sai

số về khoảng cách đáng kể Do vậy các bộ thu sử dụng thêm một vệ tinh để hiệu chỉnhđồng hồ của chúng Trong một số trường hợp nếu biết một trong các thông số tọa độkhông gian, ví dụ như độ cao, chúng ta chỉ cần 3 vệ tinh để xác định được vị trí chínhxác

Tính toán được khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh, cho phép xác định vị trí của bộthu nằm trên hình cầu có tâm là vệ tinh đó Do vậy, với 4 vệ tinh ta có thể xác định

được vị trí của bộ thu ở tại hai miền giao của 4 hình cầu có tâm là vị trí các vệ tinh,bán kính là khoảng cách từ bộ thu tới các vệ tinh đó.

Trường hợp không có lỗi, bộ thu GPS sẽ có vị trí tại một điểm giao của 4 bề mặthình cầu Nếu bề mặt của hai mặt cầu giao nhau tại nhiều hơn một điểm, giao tuyếncủa chúng sẽ là một hình tròn Giao tuyến này và mặt cầu thứ 3 trong hầu hết cáctrường hợp sẽ giao nhau tại hai điểm (mặc dù chúng có thể chỉ giao nhau tại một điểmhoặc không giao nhau) Vị trí chính xác của bộ thu GPS là 1 trong hai giao điểm màgần với bề mặt trái đất nhất đối với các bộ thu của các phương tiện di chuyển trên haygần bề mặt trái đất Giao điểm còn lại có thể là vị trí chính xác của một thiết bị kháctrong không gian

Hình 2.4 Tính toán vị trí của bộ thu GPS trên bề mặt trái đất

2.1.5 Phương trình xác định tọa độ

Hình 2.5 Hệ trục tọa độ máy thu - vệ tinh

Để xác định được tọa độ thì tại vị trí đó cần “nhìn” thấy ít nhất 4 vệ tinh (hình vẽ)

Ta có khoảng cách giữa vị trí cần đo và vệ tinh là ρ = c * t, trong đó c là vận tốc ánhsáng và t là khoảng thời gian sóng truyền từ vệ tinh tới vật

Gọi tọa độ vị trí là (X, Y, Z), tại một thời điểm ta có 4 phương trình như sau:

Hình 2.6 Phương trình xác định tọa độ của máy thu GPS

Trong đó Δt là thông số để đồng bộ thời gian giữa phía phát và phía thu Giải 4phương trình 4 ẩn ta thu được tọa độ cần xác định

2.1.6 Hiệu chỉnh đồng hồ của bộ thu.

Phương pháp tính toán vị trí trong trường hợp không có lỗi đã được giải thích ởtrên Trong thực tế, nguồn gây lỗi đáng kể nhất là đồng hồ của bộ thu GPS Bởi vì tốc

độ lan truyền ánh sáng là rất lớn, do vậy chỉ một sai số nhỏ của thời gian sẽ gây ra sailệch lớn trong tính toán khoảng cách từ bộ thu tới vệ tinh Muốn vậy bộ thu GPS phảiđược trang bị một đồng hồ đặc biết chính xác, với giá thành cao Tuy nhiên, các nhàsản xuất mong muốn đưa ra thị trường những thiết bị thu GPS ở mức giá chấp nhậnđược cho thị trường đa số người dùng, do vậy cách giải quyết sự xung đột này dựa trêncách mà các mặt cầu giao nhau

Hầu hết các khả năng bề mặt của 3 mặt cầu sẽ giao nhau khi đường tròn giao tuyếncủa hai mặt cầu đầu tiên thường sẽ đủ lớn và sẽ giao với mặt cầu thứ 3 tại hai điểm.Tuy vậy, mặt cầu thứ 4 hầu như sẽ không có khả năng giao với hai điểm của ba mặtcầu đầu tiên, do bất kỳ một sự sai số về thời gian khi thực hiện các phép tính trên bộthu Tuy nhiên, khoảng cách từ vị trí ước lượng của bộ thu GPS tới bề mặt hình cầuứng với vệ tinh thứ 4 có thể được sử dụng để hiệu chỉnh sai số đồng hồ Chúng ta đặtkhoảng cách từ vị trí ước lượng của bộ thu GPS tới vệ tinh thứ 4 là R4, P4 là giảkhoảng cách của vệ tinh thứ 4 Khi đó, khoảng cách Da từ vị trí ước lượng của bộ thutới bề mặt hình cầu ứng với vệ tinh thứ 4: Da = R4 – P4 Thời gian ước lượng cho sựsai số đồng hồ được tính là B= Da / c (với c là vận tốc ánh sáng) Chúng ta dễ nhậnthấy đồng hồ trên bộ thu GPS trễ khi giá trị B là âm và nhanh khi giá trị B là dương

2.1.7 Tín hiệu định vị

Mỗi vệ tinh GPS liên tục truyền các bản tin định vị với tốc độ 50bit/s bao gồm cácthông tin: thời gian trong tuần, số tuần và thông tin trạng thái hoạt động của vệ tinh(tất cả chứa trong phần đầu của bản tin), lịch thiên văn (chứa trong phần thứ 2 của bảntin) và một niên lịch (phần cuối của bản tin) Dữ liệu lịch thiên văn cho biết vệ tinhđang ở vị trí nào trên quỹ đạo ở mỗi thời điểm trong ngày Dữ liệu niên lịch được phátđịnh kỳ chứa thông tin về trạng thái của vệ tinh và ngày giờ hiện tại

Các bản tin được truyền trong các khung, với thời gian truyền là 30 giây cho 1500bit, 30 giây truyền của khung bản tin được bắt đầu chính xác tại thời điểm tròn phúthoặc nửa phút theo đồng hồ nguyên tử của vệ tinh Mỗi khung có chứa 5 khung convới độ dài 6 giây và chứa 300 bit, mỗi khung con có chứa 10 từ, mỗi từ 0,6 giây và 30bit

Tất cả các vệ tinh phát bản tin định vị tại cùng hai tần số 1.57542 GHz (tần số L1)

và 1.2276 GHz (tần số L2) Bộ thu có thể phân biệt được tín hiệu từ các vệ tinh khácnhau do GPS áp dụng kỹ thuật trải phổ đa truy cập phân chia theo mã (CDMA), tại đócác dữ liệu bản tin có tốc độ bit thấp được mã hóa với số giả ngẫu nhiên (PRN) tốc độcao, khác nhau với từng vệ tinh

2.1.8 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS

Có khá nhiều nguồn có thể gây nhiễu hoặc suy giảm tín hiệu siêu cao tần phát từ vệtinh tới các bộ thu Khi đó bộ thu có thể không thực hiện được các phép tính toán vị tríhay cho kết quả sai lệch:

Sự giữ chậm của tầng đối lưu (do độ ẩm) và tầng điện ly Tín hiệu bị chậm đi khi đixuyên qua tầng khí quyển, nhất là tầng điện ly Hệ thống GPS sử dụng các mô hìnhtích hợp sẵn để tính toán độ trễ tín hiệu trung bình và hiệu chỉnh một phần lỗi donguyên nhân này gây ra

Hiệu ứng nhiều đường: xảy ra khi tín hiệu GPS bị phản xạ từ các tòa nhà, các bềmặt lớn trước khi tới được bộ thu Nguyên nhân này sẽ làm tăng thời gian truyền dẫntín hiệu GPS

Sai lệch đồng hồ máy thu: Đồng hồ trên máy thu có thể sai lệch so với các đồng hồnguyên tử trên vệ tinh, gây ra các phép tính sai về khoảng cách Tuy nhiên trên thực tếcác sai lệch về đồng hồ rất nhỏ

Lỗi quỹ đạo: Cũng được biết đến là các lỗi thiên văn, do các vệ tinh thông báo vị tríkhông chính xác

Số lượng vệ tinh nhìn thấy tại vị trí bộ thu: Càng nhiều số lượng vệ tinh nhìn thấyđược thì các phép tính của bộ thu càng chính xác Bất kỳ một vật cản nào cũng có thểlàm che khuất các vệ tinh khỏi tầm nhìn của bộ thu GPS Các bộ thu GPS thườngkhông làm việc trong nhà, dưới nước hay dưới lòng đất

Che khuất về hình học: Phụ thuộc vào vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểmbất kỳ Khi các vệ tinh nằm trên một đường thẳng hoặc tạo thành nhóm sẽ gây ra sựche khuất đối với bộ thu GPS

Sự suy giảm của tín hiệu vệ tinh có chủ ý: Là hành động có mục đích của Bộ Quốcphòng Hoa Kỳ nhằm ngăn chặn các đối thủ quân sự thu được chính xác tín hiệu định

vị Tuy việc này đã được ngừng từ năm 2000, tuy nhiên không có một sự đảm bảochắc chắn về tính ổn định và chính xác của các bộ thu GPS.

2.1.9 Chuẩn NMEA0183

2.1.9.1 Sơ lược về chuẩn NMEA và chuẩn NMEA0183

NMEA (hay NMEA 0183) là sự một chuẩn giao thức cho truyền thông giữa cácthiết bị điện tử dùng cho tàu thủy cũng như các thiết bị đo tốc độ gió, la bàn, máy lái

tự động, thiết bị thu GPS và rất nhiều các thiết bị khác được định nghĩa và phát triểnbởi Hiệp hội điện tử tàu thủy quốc gia Hoa Kỳ (National Marine ElectronicsAssociation)

Chuẩn NMEA 0183 sử dụng các ký tự ASCII, giao thức truyền thông nối tiếp quyđịnh cách một “thiết bị gửi” truyền một câu dữ liệu tới “thiết bị nhận” tại một thờiđiểm

Ở tầng ứng dụng, chuẩn NMEA quy định nội dung các kiểu câu dữ liệu cho phépthiết bị nhận có khả năng phân tích dữ liệu một cách chính xác Các câu dữ liệu đềubắt đầu bằng ký tự “$” và kết thúc bằng <CR><LF>

Đối với các các thiết bị GPS, tất cả các câu dữ liệu đều bắt đầu bằng “$GPxxx”trong đó xxx là loại bản tin Một số loại câu dữ liệu thường sử dụng:

• GGA: Global positioning system fixed data

• GLL: Geographic position-latitude/longitude

• GSA: GNSS DOP and active satellites

• GSV: GNSS satellites in view

• RMC: Recommended minimum specific GNSS data

• VTG: Course over ground and ground speed

• Cấu hình truyền thông nối tiếp (tầng liên kết dữ liệu)

• Tốc độ bit: 4800 bps

• Số bit dữ liệu: 8

• Bít chẵn lẻ: None

• Bit dừng: 1 hoặc nhiều hơn

• Cơ chế bắt tay thiết bị: không

Hầu hết các máy GPS hiện nay đều giao tiếp dựa trên chuẩn NMEA 0183, một sốthì vẫn có thể dùng được với chuẩn NMEA 0180 và NMEA 0182 với tốc độ truyền dữliệu chỉ có 1200bps

2.1.9.2 Cấu trúc chuỗi NMEA

Mỗi câu bắt đầu bằng ký tự “$”

5 ký tự tiếp theo cho phép nhận dạng loại câu dữ liệu

Tất cả các trường dữ liệu theo sau được phân cách bởi dấu “,”

Ký tự đầu tiên tiếp theo sau các trường dữ liệu là dấu “*”

Theo sau dấu “*” là hai số checksum biểu diễn dưới dạng hex Checksum được tínhbằng cách XOR tất cả các mã ASCII của tất cả các trường giữa 2 dấu “$” và “*” kể cả

mã ASCII của dấu “*”

Các ký tự enter và xuống dòng kết thúc câu dữ liệu

Nếu dữ liệu cho một trường nào đó không có thì trường đó trống và dấu “,” ngăn cáchgiữa các trường vẫn được truyền đi

Ví dụ với câu dữ liệu GPRMC

$GPRMC,225446,A,4916.45,N,12311.12,W,000.5,054.7,191194,020.3,E*68

2.1.9.3 Một số kiểu bản tin NMEA thu được của GPS

a/ Bản tin kiểu GGA-Global Positioning System Fixed Data - Dữ liệu cố định GPS

Ví dụ ta nhận được chuỗi bản tin

$GPGGA,161229.487,3723.2475,N,12158.3416,W,1,07,1.0,9.0,M,,,,0000*18

Sau đây là diễn giải của bản tin:

Bảng 2.2 Diễn giải của bản tin GPGGA

Tên Ví dụ Đơn vị Mô tảMessage ID $GPGGA Giao thức header

(GGA protocolheader)Thời gian (UTC

Time) 161229.487 Giờ phút giây (%giây)

hhmmss.sss

Ví độ (Latitude) 3723.2475 ddmm.mmmmChỉ dẫn Nam

GeoidSeparation

meters Độ chia địa cầuAge of Diff second Không có hiệu lực

Corr khi DGPS không được

dùngDiff Ref

Station ID 0000 ID trạm hiệu chỉnhGPSKiểm tra

(Checksum) *18 Kiểm tra mã truyềntin

<CR><LF> Kết thúc bản tinGiá trị chỉ thị vị trí cố định

(Position Fix Indicator)

Sau đây là diễn giải của bản tin

Bảng 2.3 Diễn giải của bản tin GPGLL

Message ID $GPGLL Giao thức header

GLL(GLL protocolheader)

Ví độ (Latitude) 3723.2475 ddmm.mmmmChỉ dẫn Nam

Bắc N N = Bắc hoặc S=NamN=north or S=south

(N/S Indicator)

Kinh độ

(Longitude) 12158.3416 dddmm.mmmmChỉ dẫn Đông

Tây

(E/W Indicator)

W E=Đông hoặc W=Tây

E=east or W=west

Thời gian (UTC

Time) 161229.487 Giờ phút giây (%giây)

hhmmss.sssTình trạng A A: dữ liệu hợp lệ; V:

dữ liệu không hợp lệ.Kiểm tra

(Checksum)

*2C Kiểm tra mã truyền

tin

<CR><LF> Kết thúc bản tin

c/ Bản tin kiểu RMC- (Recommended Minimum Specific GNSS Data)

Ví dụ ta nhận được chuỗi bản tin

$GPRMC,161229.487,A,3723.2475,N,12158.3416,W,0.13,309.62,120598,,*10

Sau đây là diễn giải của bản tin

Bảng 2.4 Diễn giải của bản tin GPRMC

Message ID $GPRMC Giao thức header

RMC(RMC protocolheader)Thời gian (UTC

Time) 161229.487 Giờ phút giây (%giây)

hhmmss.sssTình trạng A A: dữ liệu hợp lệ; V:

dữ liệu không hợp lệ

Ví độ (Latitude) 3723.2475 ddmm.mmmm

2.2 Hệ thống thông tin di động toàn cầu GSM và công nghệ GPRS.

Hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM là tiêu chuẩn phổ biến nhất trong thôngtin di động trên thế giới hiện nay Theo tổ chức sáng lập là hiệp hội GSM ước đoánrằng, 80% thị trường di động toàn cầu đang sử dụng công nghệ này, với hơn 3 tỷngười trên hơn 212 quốc gia Sự phổ biến này giúp cho việc chuyển vùng quốc tế giữacác nhà cung cấp dịch vụ di động trở nên dễ dàng, các thuê bao có thể sử dụng dịch

vụ di động ở nhiều nơi trên thế giới

Ngoài cung cấp dịch vụ cuộc gọi thoại, GSM cũng mở rộng các dịch vụ tiện lợikhác cho người sử dụng như tin nhắn ngắn SMS, được hỗ trợ tốt bởi hầu hết các chuẩn

di động khác Các tiêu chuẩn mới sau này ra đời, như General Packet Radio Service –GPRS (năm 1997) và Enhanced Data Rates for GSM Evolution – EDGE (năm 1999),mang lại các dịch vụ giá trị gia tăng phong phú và các mức cước phí hấp dẫn

2.2.1 Các thế hệ phát triển của hệ thống thông tin di động.

• TACS: Total Access Communication System triển khai tại Anh năm 1985

• AMPS: Advanced Mobile Phone System triển khai tại Bắc Mỹ vào năm 1978,

sử dụng băng tần 800MHz

b) Thế hệ thứ 2 – 2G: Là các hệ thống thông tin di động số tế bào

Các đặc điểm:

• Dung lượng truyền tải tăng

• Chất lượng thoại tốt hơn

• Hỗ trợ một số dịch vụ số liệu đơn giản

• Phương thức truy cập: TDMA, CDMA

• Phương thức chuyển mạch: chuyển mạch kênh

• Một số hệ thống điển hình:

• GSM: Global System for Mobile Communications, triển khai tại châu Âu năm1991

• D-AMPS: Digital Advanced Mobile Phone System, được triển khai tại Mỹ

• IS-95 (CDMA One): triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc

• Hỗ trợ các dịch vụ truyền số liệu tốc độ cao và dịch vụ truy cập internet:

• Di chuyển trên các phương tiện: 144kbps (ô tế bào marco)

• Đi bộ, di chuyển chậm: 384kbps (ô tế bào mico)

• Văn phòng: 2Mbps (ô tế bào pico)

• Hai hướng triển khai cho mạng 3G:

• W-CDMA (UTMS): phát triển từ nền GSM/GPRS

• CDMA 2000 1xEVDO: phát triển từ nền CDMA One (IS-95)

e) Thế hệ thứ 4 – 4G

4G, hay 4-G, viết tắt của fourth-generation, là công nghệ truyền thông không dâythứ tư, cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 1cho đến 1,5 Gb/giây

Các đặc điểm:

• Tốc độ cao các nghiên cứu đầu tiên của NTT DoCoMo cho biết, điện thoại 4G

có thể nhận dữ liệu với tốc độ 100 mbps khi di chuyển và tới 1 Gbps khi đứng yên,cho phép người sử dụng có thể tải và truyền lên hình ảnh động chất lượng cao

• Tăng cường khả năng tích hợp theo các phương diện: Thiết bị đầu cuối, ứngdụng, và hạ tầng mạng trên nền giao thức IP

• Xu hướng kết hợp mạng lõi IP và mạng truy nhập di động 3G, truy nhập vôtuyến Wimax & Wi-fi

2.2.2 Tổng quan về mạng thông tin di động số tế bào.

Năm 1982, Hội nghị các nhà lãnh đạo châu Âu về bưu chính và viễn thông(CEPT), đã thành lập nhóm mang tên Groupe Spécial Mobile (GSM) để phát triển mộttiêu chuẩn cho hệ thống thông tin di động có thể sử dụng trên toàn châu Âu Năm

1987, một hiệp ước ghi nhớ đã được ký bởi 13 quốc gia để phát triển một hệ thốngthông tin di động chung ở Châu Âu Cuối cùng, hệ thống được thiết kế bởi SINTEF –một tổ chức nghiên cứu độc lập hàng đầu tại Na-uy, do Torleiv Maseng điều hành đãđược lựa chọn

Năm 1989, GSM được chuyển giao cho Viện tiêu chuẩn viễn thông châu Âu(European Telecommunications Standards Institute – ETSI), và giai đoạn 1 của các chỉtiêu kỹ thuật GSM được công bố năm 1990 Một năm sau đó, mạng thông tin di độngGSM đầu tiên trên thế giới được triển khai tại Phần Lan bởi nhà cung cấp dịch vụ diđộng Radiolinja, với sự liên kết về kỹ thuật hạ tầng với tập đoàn Ericsson Đến cuốinăm 1993, trên một triệu thuê bao sử dụng mạng điện thoại di động GSM, với khoảng

70 nhà cung cấp dịch vụ của 48 quốc gia trên toàn thế giới Hiện nay GSM đang đượcquản lý và phát triển bởi Dự án đối tác thế hệ thứ 3 - 3rd Generation PartnershipProject (3GPP)

Hệ thống thông tin di động toàn cầu – GSM là một mạng tế bào, điều đó có nghĩa

là các trạm di động (Mobile Station – MS) kết nối tới mạng bằng cách tìm kiếm cáctrạm thu phát gốc (Base Tranceiver Station – BTS) tương ứng trong ô tế bào (cell) gầnnhất

Có 5 kích thước ô tế bào khác nhau trong mạng GSM: Macro, micro, pico, femto,

và umbrella Phạm vi bao phủ của mỗi loại ô khác nhau, tùy theo môi trường triển khai

ứng dụng Các ô macro là các ô tế bào nơi anten của trạm thu phát gốc được đặt trêncác cột hay nóc tòa nhà cao tầng, cao hơn độ cao trung bình của mái nhà Các ô micro

là các ô tế bào tại nơi anten được đặt thấp hơn độ cao trung bình của mái nhà, thườngđược sử dụng trong đô thị Các ô Pico là các ô tế bào có đường kính bao phủ khoảngvài chục mét, thường được sử dụng trong nhà Các ô Femto là các ô tế bào được thiết

kế sử dụng cho nhà riêng hay phạm vi kinh doanh nhỏ, kết nối với mạng di động củanhà cung cấp qua kết nối internet băng thông rộng Các ô umbrella là các ô tế bào sửdụng để bao phủ các vùng bóng, che khuất của các ô tế bào nhỏ hơn và lấp đầy các lỗtrống của các ô này

Bán kính ngang của các ô tế bào phụ thuộc vào chiều cao anten, độ khuếch đại củaanten và điều kiện lan truyền sóng, từ 1 vài trăm mét cho tới vài chục kilomet Khoảngcách tối đa mà chuẩn GSM hỗ trợ là 35km

2.2.3 Giao diện vô tuyến

Mạng lưới GSM hoạt động trên một số các dải tần số khác nhau Hầu hết cácmạng GSM thế hệ thứ 2 (2G) hoạt động trên dải tần 900MHz và 1800MHz Một sốnước ở châu Mỹ bao gồm Canada và Hoa Kỳ sử dụng bằng tần 850MHz và 1900MHz

vì cả hai bằng tần 900MHz và 1800MHz đã được sử dụng Hầu hết các mạng GSM thế

hệ thứ 3 (3G) triển khai tại châu Âu hoạt động trên băng tần 2100MHz Ngoài ra, một

số quốc gia sử dụng một số băng tần hiếm 400MHz và 450MHz khi mà các băng tầntrên đã được cấp cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ nhất 1G

Bảng 2.5 Bảng phân loại 14 băng tần định nghĩa trong 3GPP TS 45.005

• P-GSM, GSM-900 chuẩn

• E-GSM, GSM-900 mở rộng, bao gồm GSM-900

• R-GSM, Railways GSM-bao gồm GSM-900 chuẩn và GSM-900 mở rộng

• T-GSM, TETRA-GSM

Băng tần GSM-900 sử dụng dải tần số từ 890MHz – 915MHz để truyền thông tin từ

MS tới BTS (uplink) và 935MHz – 960MHz cho hướng truyền từ BTS tới MS(downlink), chia thành 124 kênh tần số (đánh số từ 1-124), mỗi kênh cách nhau mộtkhoảng 200KHz Ở một số nơi, GSM-900 được mở rộng để có thể sử dụng băng tần sốlớn hơn Gọi là E-GSM, sử dụng dải tần số 880 – 915MHz (uplink) và 925 – 960MHz

Hệ thống Băng

tần

Uplink(MHz) (MHz)Downlink Số kênhT-GSM-380 380 380.2–389.8 390.2–399.8 Động

0-124T-GSM-

900

900 870.4–876.0 915.4–921.0 ĐộngDCS-1800 1800 1710.0–1785.0 1805.0–1880.0 512–885

PCS-1900 1900 1850.0–1910.0 1930.0–1990.0 512–810

(downlink), cho phép tăng thêm 50 kênh (từ kênh số 975 – 1023 và 0) so với 900.

GSM-Băng tần GSM-1800 sử dụng dải tần 1710MHz – 1785MHz để truyền thông tin từ

MS tới BTS (uplink) và 1805MHz – 1880MHz để truyền thông tin từ BTS tới MS(downlink), chia thành 374 kênh (đánh số từ 512 tới tới 885)

Băng tần GSM-850 và GSM-1900 được sử dụng tại Mỹ, Canada, Úc, và các nướcchâu Mỹ khác GSM-850 sử dụng dải tần từ 824MHz – 849MHz để truyền thông tin từ

MS tới BTS (uplink) và 869MHz – 894MHz cho chiều ngược lại (uplink) Có tổngcộng 124 kênh đánh số từ 128 tới 251

GSM-1900 sử dụng dải tần 1850MHz – 1910MHz cho hướng uplink và 1930MHz– 1990MHz cho hướng downlink, chia thành 299 kênh, đánh số từ 512 tới 810

Công suất phát lớn nhất của trạm di động MS ở băng tần GSM-900/GSM-1800 là1W và GSM-850/GSM-1900 là 2W

2.2.4 Kiến trúc mạng GSM

Hình 2.7 Kiến trúc mạng GSM

Mạng GSM khá lớn và phức tạp để đáp ứng đầy đủ các dịch vụ cho khách hàng, và được chia thành các phần như sau:

- Phân hệ chuyển mạch NSS: Network Switching SubSystem

- Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystemPhân hệ vận hành và bảo

dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem

2.2.4.1 Trạm di động MS - Mobile Station

Hình 2.8 Trạm di động MS

Trạm di động MS = ME + SIM

• ME: Mobile Equipment

Thiết bị di động Bao gồm phần cứng và phần mềm Mỗi thiết bị di động được gắnliền với một số nhận dạng thiết bị di động (IMEI - International Mobile EquipmentIdentity) duy nhất do nhà sản xuất đăng ký

• SIM: Subcriber Indentity Module

Module nhận dạng thuê bao Lưu giữ các thông tin nhận thực thuê bao, mật mã hóa

và giải mật mã hóa Các thông tin lưu trong SIM gồm có:

 Các số nhận dạng IMSI, TMSI

 Khóa nhận thực Ki

 Khóa mật mã Kc

- Điều khiển một số trạm BTS, xử lý các tin báo hiệu, vận hành và bảo dưỡng

đi/đến BTS

- Khởi tạo kết nối

- Điều khiển chuyển giao

Kết nối đến MSC, BTS và OMC

TRAU: Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ

BTS: Trạm thu phát gốc

- Thu phát vô tuyến

- Ánh xạ kênh logic vào kênh vật lý

- Mã hóa / Giải mã hóa

- Mật mã hóa / Giải mật mã hóa

- Điều chế / Giải điều chế

Hình 2.11 Bộ chuyển đổi mã và phối hợp tốc độ

b) Phân hệ chuyển mạch NSS

- Các thông tin về thuê bao

- Danh sách dịch vụ MS được/không được phép sử dụng

- Danh sách dịch vụ MS được/không được phép sử dụng

- Trạng thái của MS (bận/rỗi)

Trung tâm nhận thực (AuC): là cơ sở dữ liệu lưu giữ mã khóa cá nhân Ki của cácthuê bao và tạo ra bộ ba tham số nhận thực: RAND, Kc, SRES khi HLR yêu cầu đểtiến hành nhận thực thuê bao

Khối nhận dạng thiết bị (EIR): là cơ sở dữ liệu thông tin về tính hợp lệ của thiết bị

di động ME qua số IMEI Có 3 phân loại thiết bị dựa trên số IMEI:

- Danh sách trắng: ME đủ điều kiện

- Danh sách đen: ME bị đánh cắp