Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS

Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS, Đồ án môn học HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG UMTS

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 được xây dựng với mục đích cung cấpcho một mạng di động toàn cầu với các dịch vụ phong phú bao gồm thoại,nhắn tin, Internet và dữ liệu băng rộng Tại châu Âu hệ thống thông tin diđộng thế hệ thứ 3 đã được tiêu chuẩn hóa bởi học viện tiêu chuẩn viễn thôngChâu Âu(ETSI), hệ thống có tên là UMTS( hệ thống di động toàn cầu).UMTS được xem là hệ thống kế thừa của hệ thống 2G/GSM nhằm đáp ứngcác yêu cầu phát triển dịch vụ di động và ứng dụng internet với tốc độ truyềndẫn lên đến 2Mps và cung cấp một tiêu chuẩn chuyển vùng toàn cầu.

UMTS được phát triển bởi 3GPP là dự án phát triển chung của nhiều

cơ quan tiêu chuẩn hóa (SDO) như ETSI, ARIB/TCC (Nhật bản), ANSI(Mỹ),TTA( Hàn Quốc) và CWTS( Trung Quốc)

Hội nghị vô tuyến thế giới năm 1992 dã đưa ra các phổ tần dùng cho hệthống UMTS

- 1920 - 1980MHz Và 2110 - 2170 MHz dành cho các ứng dụng FDDđường lên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5MHz

- 1900 - 1902 MHz và 2010 - 2025 MHz dành cho các ứng dụng TD/CDMA đường lên và đường xuống, khoảng cách kênh là 5MHz

- 1980 - 2010 MHz và 2170 - 2200 dành cho đường xuống và đườnglên hệ thống di động vệ tinh

Phổ tần của UMTS thể hiện trong hình 1.1

Hình 1.1 Phổ tần dùng cho UMTS.

Năm 1998 3GPP đã đưa ra 4 tiêu chuẩn chính của UMTS:

- Dịch vụ

- Mạng lõi

- Mạng truy nhập vô tuyến

- Thiết bị đầu cuối

Để hoàn thiện hệ thống còn có thiết bị người sử dụng ( UE : UserEquipment) để thực hiện giao diện người sử dụng vứi giao diện vô tuyến Cấu trúc hệ thống mức cao được thể hiện trong hình 1.2 Cả UE vàUTRAN đều bao gồm các giao thức mới Việc thiết kế các giao thức này dựatrên những nhu cầu của công nghệ vô tuyến WCDMA mới nhưng việc địnhnghĩa CN dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống với công nghệ vô tuyếnmới mạng tính toàn cầu dựa trên công nghệ CN đã biết và phát triển.

Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống UMTS Một phương pháp khác để chia nhóm cho mạng UMTS là chia chúngthành các mạng con Với cách này, hệ thống UMTS được thiết kế theo modul

vì thế có thể có nhiều phần tử mạng cho cùng một kiểu việc có nhiều phần tửcủa cùng một kiểu cho phép chia hệ thống UMTS thành các mạng con hoạtđộng độc lập hoặc cùng với mạng con khác Các mạng con này được phânbiệt bởi các nhận dạng duy nhất, mạng con như vậy được gọi là mạng di độngmặt đất công cộng UMTS

Các tiêu chuẩn UMTS được cấu trúc sao cho không định nghĩa chi tiếtchức năng bên trong của các phần tử mạng như định nghĩa giao diện giữa cácphần tử mạng logic Các giao diện mở như:

Giao diện CU: là giao diện thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân

theo một khuôn dạng tiêu chuẩn cho các thẻ thông minh

Giao diện Uu : là giao diện vô tuyến của WCDMA giữa UE và nodeB trong

UMTS, đây là giao diện mà qua đó UE truy nhập vào phần cố định của mạng

Giao diện Iu: Kết nối UTRAN và CN, nó gồm 2 phần, IuPS cho miền

chuyển mạch gói, IuCS cho miền chuyển mạch kênh CN có thể kết nối đếnnhiều UTRAN cho cả giao diện IuCS và IuPS nhưng một UTRAN chỉ cómột kết nối đến một điểm truy nhập CN

Giao diện Iur: Đây là giao diên RNC-RNC, ban đầu được thiếu kế để đám

bảo chuyển giao mền giữa các RNC, nhưng trong quá trình phát triển nhiềutính năng mới được bổ xung.Giao diện này được đảm bảo bốn tính năng nổibật sau :

1 Di động giữa các RNC

2 Lưu thông kênh riêng

3 Lưu thông kênh chung

4 Quản lý tài nghuyên toàn cục

Giao diện Iub: Nối nút B và RNC, khác với GSM đây là giao diện mở.

1.3 Mạng lõi CN (core Network)

Chức năng chính của mạng lỡi UMTS:

- Quản lý di động, điều khiển báo hiệu thiết lập cuộc gọi giữa UE vàmạng lõi

- Báo hiệu giữa các nút trong mạng lõi

-Định nghĩa các chức năng giữa mạng lõi và các mạng bên ngoài

- Các vấn đề liên quan đến truy nhập gói

- Giao diện Iu và các yêu cầu quản lý điều hành mạng

Mạng lõi UMTS chia thành 2 phần: Chuyển mạch kênh và chuyểnmạch gói Thành phần chuyển mạch kênh gồm MSC, VLR và cổng MSC,Thành phần chuyển mạch gói gồm nút hỗ trợ dịch vụGPRS (SGSN: ServingGPRS Support Node) và cổng nút hỗ trợ GPRS (GGSN : Gateway GPRSSupport Node) Một số thành phần của mạng như HLR và AUC được chia sẻ

cho cả hai phần Cấu trúc mạng logic có thể được thay đổi khi các dịch vụmới và các đặc điểm mới của hệ thống được đưa ra.

Các phần tử chính của mạng lõi như sau:

- HLR: thanh ghi định vị thường chú là một cơ sở dữ liệu được đặt tại

hệ thống chủ nhà của người sử dụng để lưu trữ thông tin chính về lý lịch dịch

vụ của người sử dụng, bao gồm thông tin về các dịch vụ bổ xung như trạngthái chuyển hướng cuộc gọi , số lần chuyển hướng cuộc gọi

- MSC/VLR: Trung tâm chuyển mạch tỏng đài (MSC) và thanh ghiđịnh vị tạm trú (VLR) để cung cấp các dịch vụ chuyển mạch kênh cho UE tại

vị trí hiện thời của nó Nhiệm vụ của MSC là sử dụng các giao diện chuyểnmạch kênh VLR làm nhiệm vụ giữ bản sao về lý lịch của người sử dụng cũngnhư vị trí chính xác hơn của UE trong hệ thống đang phục vụ, CS là phầnmạng được truy cập qua MSC/VLR

- GMSC ( Gateway MSC) : Là chuyển mạch tại điểm kết nói UMTSPLMN với mạng CS bên ngoài

- SGSN ( Serving GPRS : General Packet Radio Network ServiceNode): Có chức năng giống như MSC/VLR nhưng được sử dụng cho dịch vịchuyển mạch gói PS ( Packet Switch) Vùng PS là phần mạng được truy nhậpqua SGSN

- GGSN ( Gateway GPRS Support Node): Có chức năng giống như cácdịch vụ thoại Các mạng PS đảm bảo các kết nối cho dịch vụ chuyển mạchgói

1.4 Truy nhập vô tuyến mặt đất UTRAN

UTRAN bao gồm một hay nhiều hệ thống con mạng vô tuyến RNS( Radio Network Subsytem) Một RNS là một mạng con trong UTRAN, nóbao gồm một bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC ( Radio Network Controller)

và một hay nhiều Node B Các RNC và các Node B được kết nối với nhaubằng giao diện Iub

Đặc tính của UTRAN:

- Hỗ trợ UTRAN và tất cả các chức năng liên quan, đặc biệt các ảnhhưởng chính lên việc thiết kế là yêu cầu hỗ trợ chuyển giao mềm và các thuậttoán quản lý tài nghuyên đặc thù WCDMA.

- Đảm bảo chung nhất cho việc xử lý số liệu chuyển mạch kênh vàchuyển mạch gói bằng một ngăn xếp giao thức giao diện vô tuyến duy nhất vàbăng cách sử dụng cùng một giao diện để kết nối từ UTRAN đến cả hai cùng

PS và CS của mạng lõi

- Đảm bào tính chung nhất với GSM khi cần thiết

- Sử dụng chuyền tải ATM là cơ chế truyền tải chính ở UTRAN

UTRAN có hai thành phần chính đó là : bộ diều khiển mạng vô tuyến ( RNC)

và NodeB Như hình 1.3

Hình 1.3 khối UTRAN

Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC:

RNC là phần tử mạng chịu trách nhiệm điều khiển các tài nguyên vôtuyến củ UTRAN Nó giao diện với CN( thông thường Với một MSC và mộtSGSN) và kết cuối giao thức điều khiển tài nguên vô tuyến RRC( RadioResource và UTRAN, nó đóng và trò như BSC

Các chức năng chính chủa RNC:

- Điều khiển tài nguyên vô tuyến

- Cấp phát kênh

- Thiết lập điều khiển công suất

- Điều khiển chuyển giao

- Phân tập Macro.

- Mật mã hóa

- Báo hiệu quảng bá

- ĐIều khiển công suất vòng hở

NodeB( TRạm gốc):

Chức năng chính của NodeB là thực hiện xử lý L1của giao diện vôtuyến( mã hóa kênh, đan xen, thích ứng tốc độ, trải phổ…), nó cũng thực hiệnmột phần khai thác quản lý tài nguyên vô tuyến như điều khiển công suấtvòng trong Về phần chức năng nó giống như trạm gốc ở GSM

1.5 Thiết bị người dùng UE

UE là sự kết hợn giữa thiết bị di động và modul nhận dạng thuê baoUSIM(UMTS subscriber indentity) Giống như SIM trong mạng GSM/GPRS,USIM là thẻ gna vào máy di động và nhận dạng thuê bao trong mạng lõi Hệthống GSM, Sim card lưu giữ thông tin cá nhân cài cứng trên card nhưng trngUMTS, modul nhận dạng thuê bao UMTS được cài trong một ứng dụng trênUICC( là một card thông minh), sự khac biệt nayfcho phép lưu nhiều ứngdụng hơn và nhiều chữ ký (khóa)điện tử hơn cùng với một USIM cho cácmục đích khác Ngoài ra có thể có nhiều USIM trên cùng một UICC để hỗ trợtruy nhập đến nhiều mạng

Thiết bị di động là đầu cuối vô tuyến được sử dụng cho thông tin votuyến giao diện Uu Modul nhận dạng thuê bao UMTS là một thẻ thông minhchứa thông tin nhận dạng thuê bao, thực hiện cá thuật toán nhận thực và lưugiữ các khóa nhận thực trong cùng một số thông tin thuê bao cần thiết cho đầucuối.Người sử dụng phải tự mình nhận thực đối với USIM bằng cách nhập mãPIN, nó có thể đảm bảo rằng thiết bị đầu cuối thuộc sở hữu người sử dụngmới được truy nhập mạng UMTS

1.6 Các dịch vụ phổ biến của mạng 3G - UMTS

Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 có thể cung cấp các dịch vụ tốc độbit cao lên đến 2Mbit/s Các dịch vụ tốc độ cao như điện thoại hình ảnh, dữ

liệu đường xuống nhanh, các dịch vụ đa phương tiện như truyền hình số mặtđất….Các dịch vụ có thể chia làm 3 loại:

Dịch vụ viễn thông bao gồm dịch vụ Audio, dịch vụ số liệu, và dịch vụ

đa phương tiện.Tương ứng với mỗi loại dịch vụ này là các tốc độ dữ liệutruyền khác nhau với yêu cầu về độ chính xác độ trễ truyền dẫn khac nhau.Thí dụ như dịch vụ Audio chất lượng cao yêu cầu tốc độ 16~64kbit/s nhưngdịch vụ Audio FM lại yêu cầu tốc độ 64~384Kbit/s Tuong tự với dịch vụ đaohuowng tiện có dịch vụ số liệu tốc độ trung bình thấp nên yêu cầu tốc độ64~ 144kbit/snhuwng dịch vụ video chuyển động thời gian thực yêu cầu tốc

độ siêu cao >= 2Mbit/s

Dịch vụ internet có các loại dịch vụ và tốc độ bit tương ứng cho mỗiloại như: Truy nhập Web yêu cầu tốc độ bit ~38kbit/s, dịch vụ inter netyeuecầu 382~2Mbit/s Riêng dịch vụ Web đa phương tiện thời gian thực thì yêucầu độ trễ nhỏ nhất có thể

UMTS cho phép người sử dụng lựa chọn các đặc tính mạng phù hợpnhất cho việc mang thông tin Ngoài ra cũng có thể thay đổi đặc tính mạngthông qua thủ tục đàm phán lại trong quá trình kết nối tích cực

3GPP đã xây dựng tiêu chuẩn cho dịch vu của hệ thống UMTS nhằm đápứng:

- Định nghĩa và đặc điểm yêu cầu của dịch vụ

- Phát triển dung lượng và cấu trúc dịch vụ cho các ứng dụng mạng tổong, mạng cố định, mạng di động

-Thuê bao và tính cước.

UMTS cung cấp các loại dịch vụ xa như thoại hoặc qua bản tin ngắn và cácloại dịch vụ mạng Các mạng có tham số QoS khác nhau cho độ trễ truyềndẫn tối đa độ trễ truyền biến thiên và tỉ lệ lỗi bít (BER) Những tốc đọ dữ liệuđược yêu cầu là :

- 144 Kbqs cho môi trường về tinh và nông thôn

- 384 Kbqs cho môi trường thành phố ( ngoài trời)

- 2048 Kbqs cho môi trường trong nhà và ngoài trời với khoảng cáchngắn

Cấu trúc phân lớp của dịch vụ mạng UMTS được thể hiện trong hình1.4 Mỗi mạng ở một lớp đặc thù cung cấp các dịch vụ riêng sử dụng các dịch

vụ do lớp dưới cung cấp Dịch cụ mạng UMTS đóng vai trò chính trong việcđảm bảo dịch vụ đầu cuối

Hình 1.4 Cấu trúc của dịch vụ mạng UMTS

Hệ thống UMTS có 4 loại QoS , yếu tố chủ yếu để phân biệt các loại này là

độ nhạy cảm với trễ Mỗi loại có độ nhạy cảm riêng, chẳng hạn loại hội thoạirất nhạy cảm với trễ nhưng ngược lại loại cơ bản có độ nhạy trễ thấp nhất.Các loại QoS của UMTS được tổng kết ở bảng 1.1

Loại lưu

lượng

Loại hộithoại

Loại Luồng Loại tương

Dành trướcquan hệ thờigian giữa cácthực thểthông tin củaluồng

Yêu cầu mẫutrả lời

Dành trước

số liệu trọnvẹn

Nơi nhậnkhông đợi sốliệu trongkhoảng thờigian nhấtđịnh

Dành trước

số liệu toànvẹn

Thí dụ về ứng

dụng

ThoạiĐiện thoạithấy hìnhCác trò chơithoại

Luồng đaphương tiện

Trình duyệtweb

Các trò chơimạng

Tải xuốngmail

1.6.1 Loại hội thoại

Ứng dụng nhiều người biết nhất của loại này là dịch vụ thoại trên cácvật mạng chuyển mạch kênh Cùng với Internet và đa phương tiện một số ứngdụng mới sẽ đòi hỏi loại này, như thoai IP và điện thoại thấy hình Hội thoạithời gian thực luôn được thực hiện giữa người đồng cấp Đây là kiểu duy nhấttrong bốn kiểu có đặc tính yêu cầu liên quan chặt chẽ đến sự nhận biết củacon người

Tham số đặc trưng của hội thoại thời gian thực là độ trễ đâu cuối nhỏ

và lưu lượng đối xứng Dựa vào sự cảm thụ của con người ở cuộc hội thoạivideo người ta đánh giá chủ quan rằng trễ đầu cuối phải nhỏ hơn 400ms

1.6.2 Loại luồng

Luồng được hiểu như là một khả năng của ứng dụng phát đi các môitrường được đồng bộ như các luồng âm thanh, hình ảnh một cách liên tục màtrong khi các luồng này lại được đến khách hàng trên mạng số liệu

Các loại ứng dụng được xây dựng trên các dịch vụ luồng có thể được phânloại thành các dịch vụ truyền tin theo yêu cầu và trực tiếp như truyền tin tứcyêu cầu, truyền hình trực tiếp.Mạng 3G dịch vụ PSS (Packet StreamingService ) có thể bổ xung dịch vụ truyền bản tin đa đường thế hệ 3 và dịch vụhội thoại PSS có thẻ thực hiện các ứng dụng luồng di động có sự phức tạpcủa giao thức và đầu cuối thấp hơn trong các dịch vụ thoại

1.6.3 Loại cơ bản

Các kiểu cơ bản có thể dùng để truyền e- mail, SMS, tải xuống các cơ

sở dữ liệu và bản tin vừa tải Các ứng dụng này không đòi hỏi thời gian thực,trễ có thể giao động từ vài giây, vài chục giây thậm chí đến vài trăm giây.Lưu lượng cơ bản là một trong số các sơ đồ thông tin số liệu kinh điển đượcđặc trưng bởi yếu tố nơi nhận không đợi số liệu trong khoảng thời gian nhấtđịnh, nó ít nhiều không nhạy cảm với độ trễ Một đặc trưng khác là nội dụngcủa gói không nhất thiết phải được truyền trong suốt Số liệu phát đi phảiđược thu không mắc lỗi

sở định vị và các dịch vụ Game online( trò chuyện trực tuyến)

bá một dịch vụ ở một số lượng nhất định các đài trạm, thu và hiển thị thôngtin trên cơ sở định vị như: Vị trí ngân hàng trường học, cơ quan gần nhất…Phụ thuộc vào dịch vụ số liệu có thể thu nhận theo cách tương tác hoặc cơbản Thông tin định vị có thể được nhận biết và đưa vào từ người sử dụngdịch vụ hoặc từ thiết bị đầu cuối Vị trí định vị được cung cấp theo các yêucầu và được thiết lập bởi một số thuật ngữ như độ chính xác phương ngang,phương đúng, thời gian trả lời và mức ưu tiên cũng như độ an toàn

Việc đo vị trí là một quá trình thống kê, không phải tất cả các phép đo

vị trí đều cho cùng một kêt quả Độ chính xác tổng thể của hệ thống được báocáo bao gồm đo thống kê của nhiều lần thực hiện và tại nhiều vị trí qua vùngphủ UTRAN Độ chính xác được báo cáo cho một phép đo có thể thay đổi rấtlớn so với kết quả hệ thống

1.6.4.2 Dịch vụ game online

Trò chơi tương tác qua mạng có thể được coi là một ứng dụng thuộclợi tương tác tuy nhiên nó thuộc vào tính chất của trò chơi, nó cũng thuộc loạihội thoại do yêu cầu cao đối với trễ cho phép cực đại đầu cuối - đầu cuối

Tóm lại :

Nội dung chương 1 của đồ án đã nghiên cứu tổng quan về hệ thốngthông tin di động UMTS, các phổ tần số, cấu trúc và các giao diện của hệthống 3G - UMTS Dựa trên cơ sở cấu trúc của hệ thống này tìm hiểu các loạidịch vụ của hệ thống 3G - UMTS Có bốn loại hình dịch vụ tiêu biểu là : loạihội thoại, loại luồng, loại cơ bản và loại tương tác Các loại hình dịch vụ nàymang lại nhiều ứng dụng khác nhau, trong các ứng dụng đó thì dịch vụ dựatrên vị trí LBS hứa hẹn mạng lại nhiều tiềm năng to lớn Việc khai thác cácdịch vụ này đòi hỏi phải hiểu rõ các nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật định vị

Chương 2 Các phương pháp định vị trong thông tin di động

2.1 Giới thiệu

Việc nghiên cứu về kỹ thuật định vị và các ứng dụng của nó trongthông tin di động nói riêng và trong các nghành công nghệ khác nói chungđang nhận được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trên toàn thế giới Ngàynay nờ sự tiến bộ của khoa học mà ý tưởng về các phương pháp định vị đượcphát triển từ đó cho ra đời các hệ thống định vị khác nhau, lúc đầu là dành chomục đích phục vụ quân sự nhưng ngày nay nó được ứng dụng rộng rãi chohiều mục đích dân sự như điều hành xe taxi, nghành công nghiệp hàng hải,thám hiểm… trong đó thông tin di động được ứng dụng như mọt ngành côngnghệ tiên tiến Trong các mạng thông tin di động xác định vị trí của các thuêbao trong mạng này là một yêu cầu cấp thiết Định vị được vị trí của thuê baonhà điều hành mạng có thế xác định được vị trí của các thuê bao đang sử dụngmột cách nhanh chóng và chính xác từ đó thực hiện các dịch vụ di động, cóthể quản lý các nguồn tài nguyên của mạng lưới mình một cách hiệu quả nhấtcung cấp nhiều ứng dụng khác nhau cho khách hàng khi đã xác định được vịtrí của họ Các kỹ thuật định vị đang mở ra các ứng dụng dựa trên vị trí, thôngqua việc tích hợp các công nghệ vào thiết bị di động Chúng được gọi là cácdịch vụ dựa trên vị trí thuê bao LBS( Location Based Services) Nhà cung cấpdịch vụ LBS có thể cung cấp dịch vụ bằng nhiều phương pháp khác nhau dựatrên địa điểm để người dùng cuối có thể hoàn toàn thỏa mãn với dịch vụ Đặcbiệt nó có thể được sử dụng như một yêu cầu thiết yếu cho việc triển khai cácgiao thức mới , công nghệ mới, ứng dụng mới trong di động Việc lựa chọnmột phương pháp định vị để sử dụng vào các ứng dụng riêng có ảnh hưởngrất lớn đến thiết kế và các công nghệ sử dụng trong các hệ thống định vị Cónhiều vấn đề phức tạp khác nhau chẳng hạn như về mặt công nghệ, công suấttiêu thụ, tính bảo mật của hệ thống…Chính vì vậy lựa chon được một phươngpháp định vị có thể ứng dụng đạt kết quả tối ưu sẽ giúp người thiết kế có thể

hoàn thành mục địch của mình và người sử dụng hệ thống có thể đạt đượchiệu quả cao nhất Nội dung của chương 2 đồ án sẽ trình bày chi tiết cácphương pháp định vị có thể ứng dụng được trong thông tin di động.

có thời gian đáp ứng cao nhất và là giải pháp định vị triển khai rộng rãi nhấttrong năm 2001 Tuy nhiên, phương pháp này có thể không chính xác, vị trícủa MS luôn được xác định thông qua khoảng cách từ nó đến BTS mà nóđang trực thuộc ( hoặc nhiều BTS), điều này được mô tả trên hình 2.1

Hình 2.1: Kỹ thuật định vị Cell - ID

Độ chính xác của kỹ thuật định vị phụ thuộc vào kích thước của các tếbào mạng vì MS có thẻ ở mọi vị trí bất kỳ trong Cell Các mạng di động đơngiản có các máy phát được đa hướng, phát như nhau theo nọi hướng tạo ramột vòng tròn Bởi vì vòng tròn tessellate không tốt, nhà thiết kế mạng diđộng cố gắng để gần đúng cho hình lục giác Và COO cũng thường được gọi

là CGI

Đây là phương pháp định vị đơn giản nhất, phương pháp này cho biếtkết quả vị trí định vị trong khu vực lớn tương đương với vùng tế bào của Cell

đó Tại các vùng thành thị vùng định vị thương dưới 250m2 Tại các vùngnông thôn, vùng định vị tế bào lớn hơn một vài km2 do đó độ chính xác tươngứng giảm

Phương pháp định vị này được quét theo hình quạt trong các vùng định

vị tế bào hoặc có thể kết hợp với phương pháp xác định khoảng cách theo TA

Để quét được toàn vùng ( theo diện tích hình tròn) ta chỉ cần bố trí 3 antentrên mỗi trạm BTS định vị theo hướng xen kẽ nhau 1200 Để tăng độ chínhxác người ta dùng sector ID hoặc có thể kết hợp với một hay cả hai kỹ thuật

TA ( Timing Advance) và dựa vào cường độ của tín hiệu Cả hai kỹ thuật nàybạn đâu được dành cho cho các mục đích khác do đó khi dùng để xác định vịtrí nó có thể sử dụng các thiết bị đã tồn tại trong mạng GSM/GPRS Kỹ thuật

TA sử dụng thông tin về sai lệch thời gian được gửi từ BTS tới hiệu chỉnhthời gian phát của MS sao cho tín hiệu từ MS tới BTS đúng với khe thời giandành cho MS để tính ra khoảng cách từ MS đên BTS Tuy nhiên kỹ thuật TAchỉ cho biết MS trong vùng địa lý của BTS đang phục vụ nó với bán kính xácđịnh được nhờ TA Ngoại ra, trong mạng thông tin di động MS thường đocường độ của tín hiệu từ một số BTS và gửi thông tin này đến BTS đang phục

vụ nó, vì vậy có thể dựa vào thông tin về cường độ tín hiệu này dể tính rađược vị trí MS với độ chính xác cao hơn TA Tuy nhiên, có rất nhiều yếu tốlàm hạn chế hiệu quả của phương pháp này như địa hình , suy hao ở môitrường trong nhà ( các vật liệu xây dựng, hình dạng, kích cỡ tòa nhà)

Thủ tục định vị Cell - ID được trình bày trong hình 2.2 Tùy thuộc trạngthái RCC của UE để xác định Cell, phục vụ RNC có thể thực hiện các hoạtđộng bổ xung Yêu cầu vị trí của CN làm cho SRNC kiểm tra mục tiêu của

UE Nếu UE trong Cell, mục tiêu Cell - ID được lựa chọn, trong chuyển giaomềm, UE có một nhánh tín hiệu kết nối với các tế bào khác nhau báo cáo kếtquả Cell - ID khác nhau SNRC kết hợp thông tin về tất cả các tế bào liên kết

vơi UE này Nó cũng liên quan đến việc UE chuyển giao mềm hơn và SNRCkết hợp các thông tin về tất cả các tế bào liên kết với UE Vì vậy, khi UE vàomức độ thiết lập hoạt động, tính chính xác của Cell - ID thường được tăngcường.

Hình 2.2 : Lưu đồ tín hiệu Cell- ID Như vậy, Cell - ID và các kỹ thuật tăng cường hỗ trợ nó mặc dù có một

số ưu điểm như ít phải thay đổii phần cứng của mạng, ít tốn kém và đồ chínhxác giảm, tính phụ thuộc và bảo mật cell làm cho phương pháp xác định này

có khả năng hỗ trợ cho một số ít các dịch vụ

2.2.1.2 Phương pháp TOA

Phương pháp định vị dựa trên phương pháp giao đường tròn kết hợpvới phương pháp đo thời gian tạo ra một phương pháp định vị mới gọi làphương pháp xác định thời gian tới ( Time of Arrial TOA) Hệ thống định vịGPS là một ví dụ phổ biến nhất sử dụng phương pháp này một bộ thu GPSxác định khoảng cách giả tới ít nhất ba vệ tinh và dựa vào đó để tính toán cáckhoảng cách Để đồng bộ và tăng độ chính xác giữa bộ phát và bộ thu phải sửdụng tín hiệu từ về tinh thứ 4

Các đại lượng đo lường nội tại của hệ thống thông tin di động toàn cầu

là khoảng định thời sớm TA , giá trị độ thu nhận RXLEV ( Peceive level) chobiết cường độ tín hiệu thu được của một số MS đối với BTS đang quản lý vàcác BTS kế cạnh nó Cả hai thông số này có thể được chuyển đổi thànhkhoảng cách, được sử dụng cho việc định vị qua các vùng cung giao Người tagọi phương pháp này là Time of Arrival (TOA) Vị trí có thể được xác địnhmột cách có định hướng bởi người sử dụng hay nói cách khác đối với mộtngười sử dụng tương ứng với nó có một giá trị định thời sớm TA thích hợphay các đại lượng đo lường khoảng thời gian truyền sẽ cho phép định vị mộtcách chính xác có thể đặtt trong khoảng 500m đối với chế độ định vị 2D Đốivới phương pháp giản đồ cung giao nhau với giá tri RLXV vị trí có thể đượcđịnh vị với độ chính xác từ 800m - 1000m Nguyên tắc của phương pháp nàythể hiện như hình 2.3

Hình 2.3: Phương pháp TOA

2.2.1.3 Kỹ thuật định vị AOA

Kỹ thuật định vị AOA là kỹ thuật định vị dựa trên mạng để đo các tham

số liên quan đến góc của tín hiệu tới một điểm Kỹ thuật AOA sử dụng antenmảng nhiều phần tử được lắp đặt tại các trạm gốc, trong đó vị trí của mỗiphần tử đã biết chính xác Mỗi phần tử anten nhỏ và có khả năng thu được tínhiệu riêng biệt Bằng cách đo cường độ tín hiệu thu, thời gian tới, pha tại mỗiphần tử của mảng, người ta có thể tính toán được khoảng cách theo tầm nhìnthẳng LOS từ thiết bị di động đến trạm gốc Lặp lại quá trình đo tại các vị tríkhác nhau, giao điểm của hai đường LOS là vị trí của MT

Kỹ thuật AOA yêu cầu tối thiểu hai trạm gốc cố định với anten địnhhướng có độ rộng búp sóng hẹp Kỹ thuật này dễ thực hiện, được sử dụngtrong các trường hợp như : khảo sát, định vị các nguồn phát tín hiệu bất hợppháp, theo dõi các thiết bị di động

Kỹ thuật định vị AOA

Kỹ thuật AOA sử dụng nguyên tắc tam giác đơn giản để tính toán vị trícủa thiết bị di động dựa trên các vector khác nhau Kỹ thuật này cần ít nhấthai trạm cố định để đo đạc hướng các tín hiệu vô tuyến nhận được Vị trí của

đối tượng được thể hiện bởi giao điểm các đường nối từ các trạm tham chiếuđến đối tượng Các trạm gốc có tọa độ đã biết được sử dụng như các điểmtham chiếu để có được ước lượng chính xác của các thông tin cần thiết.

Các thông tin về AOA có thể được đo bằng ba cách:

Thứ nhất, dựa trên phép đo độ lệch pha tín hiệu thu được từ các phần tửanten mảng

Thứ hai, dựa trên phép đo mật độ chùm tia hoặc phổ năng lượng trênanten mảng

Thứ ba, tìm AOA bằng cách sử dụng anten đa chùm tia Kỹ thuật nàyđược dựa trên sự khác biệt giữa việc tính toán biên độ của tín hiệu ở chùm tiachính và biên độ của tín hiệu liên quan ở chùm liền kề

Giả sử có một tín hiệu truyền từ thiết bị di động có tọa độ (x, y) tới trạm gốc (điểm tham chiếu) thứ i có tọa độ (x i , y i) Đường nối thiết bị di động và

điểm tham chiếu giao nhau với trục X tạo ra góc φ i như trong hình 2.4

Góc tới φ i được định nghĩa:

tan i y y i

x x i

  

(2.38)

Hình 2.4 Nguyên tắc góc sóng tới

Kỹ thuật định vị AOA biểu diễn trên hình 2.5 Để xác định tọa độ của

MT, giải các phương trình sau:

tantan tan

tan tantan tan

Ở đây: - R là khoảng cách giữa hai điểm tham chiếu BS1 và BS2;

- φ1 là góc tới tại điểm tham chiếu BS1;

- φ2 là góc tới tại điểm tham chiếu BS2 ;

- (x, y) là tọa độ của MT.

Hình 2.5 Kỹ thuật định vị AOA

Trong bài toán ước lượng AOA truyền thống, điều kiện để thực hiện là:

- Tín hiệu băng hẹp

- Tín hiệu không tương quan

- Tạp âm Gauss trắng tác động theo phương thức cộng

Tuy nhiên, thực tế tín hiệu anten nhận được là tín hiệu từ nhiều nguồnkhác nhau trong không gian cũng như vấn đề truyền đa đường nên các tínhiệu có khả năng tương quan với nhau Mặt khác, trong thực tế nhiều tín hiệu

có băng thông rộng và mật độ phổ công suất của nhiễu không hoàn toàn bằngphẳng trên toàn bộ dải tần Chính vì những lý do này làm cho kỹ thuật ướclượng AOA truyền thống còn có nhiều hạn chế và xảy ra sai số khi thực hiệnđịnh vị

Trong kỹ thuật ước lượng AOA cần phải chú ý:

- Số phần tử trong anten mảng phải lớn hơn số nguồn Thực tế, số phần

tử anten không thể quá lớn để hạn chế kích thước cũng như giá thành hệthống, trong khi số nguồn tín hiệu đôi khi khá nhiều Do đó, việc chọn lựa sốphần tử trong mảng anten có vai trò quyết định đến độ chính xác của việc ướclượng

- Khi thiết kế hệ thống anten cần chú ý đến điều kiện khoảng cách giữacác phần tử trong anten mảng thông thường là 0,5 lần bước sóng

- Khi tăng số lượng mẫu cũng làm tăng độ phân giải Tuy nhiên, thông

số này ảnh hưởng không nhiều đối với hệ thống

- Tỷ số tín hiệu trên tạp âm lớn thì độ chính xác của phép ước lượngcao hơn

Kỹ thuật ước lượng AOA dựa trên thuật toán MUSIC

Hầu hết kỹ thuật ước lượng AOA dựa trên không gian con với thuậttoán phân loại tín hiệu đa đường (MUSIC: Multiple Signal Classification).Thuật toán không gian con hoạt động dựa trên việc tách tín hiệu từ nhiễu và

sử dụng các tính chất thống kê của mỗi không gian con Các biến thể củathuật toán MUSIC đã được phát triển để cải thiện độ phân giải của nó và giảm

độ phức tạp khi tính toán bao gồm Root-MUSIC và Cyclic-MUSIC

Thuật toán MUSIC-Phân loại tín hiệu đa đường là một kỹ thuật ướclượng hướng sóng tới AOA dựa vào không gian con Thuật toán này còn đượcgọi là phương pháp không gian con Trong các thuật toán ước lượng có độphân giải cao, thuật toán MUSIC có nhiều ưu thế nổi bật, có thể ước lượngnhiều tham số của tín hiệu như góc ngẩng, phân cực, dải hoạt động và gócphương vị của sóng tới Là một kỹ thuật dựa trên phương pháp không giancon, MUSIC có nhiều ưu điểm như phân bố độc lập các tần số và không yêucầu thông tin AOA ban đầu MUSIC biểu diễn đơn giản, có lỗi ước lượngAOA nhỏ hơn các thuật toán không gian con nhiều tham số khác Đặc biệt,

MUSIC sử dụng tự tương quan để phân biệt không gian tín hiệu và khônggian nhiễu.

Mặc dù MUSIC có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng có một nhược điểm

đó là hoạt động phụ thuộc vào góc tới của các anten thu Như vậy, khi gócanten thay đổi so với vị trí ban đầu, kết quả là độ chính xác ước lượng sẽ bịgiảm đi rõ rệt, mà thực tế là góc của anten là một biến thay đổi theo thời gian

Đánh giá kỹ thuật AOA

- Ưu điểm:

Phương pháp AOA không cần phải đồng bộ thời gian giữa thiết bị diđộng và các trạm tham chiếu, chỉ cần hai trạm gốc là đủ để định vị một đốitượng

Thiết bị di động không tham gia các phép đo ước lượng vị trí Với việc

sử dụng anten mảng có tính định hướng cao, có thể loại bỏ nhiễu từ các thiết

bị di động Việc xử lý số tín hiệu cho phép cải thiện độ chính xác định vị vàloại bỏ nhiễu không mong muốn

nguyên tắc hyperbol thể hiện ở hình 2.6 dưới đây.

- t i là thời gian truyền từ MT tới RP thứ i.

Trong trường hợp có một số điểm tham chiếu liên quan đến việc định

vị thiết bị di động, sử dụng phương trình sau:

d i t  t c t  t c t i  t c

(2.30)

ở đây: t0 là thời gian thực tại MT

Những sai khác này không bị ảnh hưởng bởi lỗi thời gian t0 tại MT

Khoảng cách d2 giữa MT và điểm tham chiếu RP2 có thể tính toán theophương trình:

d  x  x  y  y

(2.31)

Các TDOA liên quan đến điểm tham chiếu RPi, t i  t1 là sự khác biệtcác TOA của tín hiệu MT tại RPi và RP1 Sự sai khác khoảng cách được xác

d S

d x y

(2.37)

Nhận được phương trình bậc hai, thay trị số dương vào phương trình (2.36) để

tìm ra x.

2.2.2 Phương pháp định vị dựa trên thiết bị vệ tinh

2.2.2.1 E-OTD( Enhaced Observed Time Diference)

Thông thường E-OTD được sử dụng trong mạng GSM/GPRS Cơ sỏ

của phương pháp này là trong mạng di động MS giám sát các cụm truyền từcác BTS lân cận và đo độ lệch thời gian các khung từ các BTS này để xácđịnh vị trí như được thực hiện trên hình 2.7

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của E-OTD

Độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào độ phân giải củaphép đo độ lệch thời gian, vị trí địa lý đặt các BTS lân cận để hỗ trợ xác định

vị trí của MS

Với phương pháp E-OTD, thời gian chính xác là tham số quan trọng đểxác định vị trí của MS, vì vậy yêu cầu mạng di động sử dụng phương phápđịnh vị này phải có thêm phần tử LMU với tỉ lệ 1,5BTS cần có 1 LMU, việc

có thêm phần tử mới này làm thay đổi cấu trúc mạng Điều này đòi hỏi kỹ sưthiết kế phải tính toán rõ ràng để không ảnh hưởng đến người sử dụng dịch

vụ Ngoài ra phía MS cũng cần nâng cấp về phần mềm để hỗ trợ cho E-TOD.Hạn chế của người sử dụng là khi họ thực hiện chuyển vùng sang vùng củanhà khai thác mạng khác mà mạng này không lắp đặt các phần tử hỗ trợ LMUthì thiết bị sẽ không sử dụng được kỹ thuật định vị này

Về mặt hình học, tập hợp các điểm có hiệu khoảng cách tới hai điểm cốđịnh là một đường hyperbol ( một hyperbol có hai đường tương ứng với hiệu

số dương và âm) và giao của ít nhất 3 đường hyperbol khác nhau sẽ xác địnhđược duy nhất một điểm Tương tự, tập hợp tất cả các điểm trong mặt phẳng

có khoảng cách tới một điểm cố định sẽ là một đường tròn Với 3 đường tròncắt nhau ta cũng sẽ xác định được một vị trí duy nhất Dựa trên hai phương

pháp hình học đó người ta phân chia E-OTD ra làm hai cách thực hiện khácnhau Với phương pháp hyperbol thời gian khác biệt được quan sát ở trạm gốc

và một thiết bị tính toán vị trí LMU thông qua việc ghi lại thời gian đến củatín hiệu

- thiết bị di động có chức năng tính toán thời gian khác biệt quan sát được

- đơn vị đo vị trí có chắc năng tính toán thời gian trên kênh vô tuyến

Việc xác định vị trí thông qua sai khác thời gian bằng cách xác địnhhiệu khoảng cách của từng cặp hai trạm đến nó thông qua hiệu thời gian, qua

đó xác định được một hyperbol chạy qua như mô tả 2.9

Hình 2.9 Xác định vị trí thông qua sai khác thời gian

Thông thường tốc độ sóng điện từ bằng tốc độ của ánh sáng nên theo 2.10r1 - r2 = c(ta1 - ta2)

Trong đó

r1 là khoảng cách từ ms đến BTS1

r2là khoảng cách từ ms đến BTS2

ta1 là thời gian tín hiệu từ BTS1 đến MS

ta2là thời gian tín hiệu từ BTS2đến MS

Khoảng cách từ các trạm BTS đến MS của phương pháp này được xác địnhtheo sơ đồ hình 2.15

Hình 2.15 Xác định khoảng cách từ các BTS đến MS

Trong phương pháp này, thay vì xác định trực tiếp khoảng cách đếntừng BTS, thiêt bị sẽ xác định hiệu khoảng cách của từng cặp hai trạm đến nóthông qua hiệu thời gian, qua đó xác định được một hyperbol chạy qua với tốc

vị trí của LMU nên được xác định Ở đây:

t1 là thời gian tín hiệu từ BTS1 đến MS

t2 là thời gian tín hiệu từ BTS2đến MS

Khi đó OTD = t2 - t1 (2.12)

ta là thời gian tín hiệu từ BTS1 đến MS

tb là thời gian từ BTS2 đến MS

Nên RTD = ta - tb ( 2.13)

E-OTD đường tròn khoảng cách th

Trong phương pháp này khoảng cách thực tế đến 3BTS cần được biết chínhxác thông qua quá trình di chuyển của tín hiệu từ BTS đến đầu cuối Tuynhiên thời gian gửi tín hiệu không được ghi lại tại BTS và thời gian ở BTS vàđầu cuối không đồng bộ với nhau

Giả sử: