Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ tích hợp dữ liệu và ánh trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba

Xuất phát từ thực tế triển khai Mạng thông tin di động dựa trên công nghệ WCDMA tại Việt Nam và nhu cầu về tăng tốc độ truyền dữ liệu thoại, dữ liệu, ảnh của người sử dụng qua mạng di độ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ TÍCH HỢP

DỮ LIỆU VÀ ẢNH TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 10

Chương I Tổng quan về mạng di động thế hệ thứ ba .13

1 Công nghệ 3G là gì? 13

2 Các tiêu chí chung để xây dựng IMT – 2000: 16

3 Các đặc điểm của mạng 3G: 17

4 Sự khác nhau cơ bản giữa mạng 3G và 2G: 18

5 Cấu trúc mạng 3G: 19

6 Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động thế hệ 3: 23

Chương II Truyền dữ liệu trong mạng di động thế hệ 3 26

Chương III: Công nghệ GPS trong mạng WCDMA .30

1 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS 30

a GPS là gì? 30

b Các thành phần của GPS 31

c GPS có thể đo những gì? 35

d Các kiểu định vị GPS 37

e Độ chính xác trong định vị bằng GPS 40

2 Các phương pháp định vị trong mạng 3G (UMTS/WCDMA) 41

Chương IV Công nghệ cảm biến 47

1 Cảm biến là gì? 47

2 Các loại cảm biến .47

3 Cảm biến đo nhiệt độ 47

Chương V: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ tích hợp truyền dữ liệu và ảnh tĩnh qua mạng di động thế hệ ba 58

1 Sơ đồ khối hệ thống 58

2 Lựa chọn linh kiện và thiết bị 58

3 Thiết kế chế tạo phần cứng 72

4 Sơ đồ mạch thiết kế tổng thể .85

a Sơ đồ khối hệ thống sau khi đã lựa chọn thiết bị và linh kiện 85

5 Sơ đồ bố trí linh kiện trên bo mạch và thiết kế kế mạch in 86

6 Lập trình cho vi điều khiển .88

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 99

1 Kết quả thực hiện .99

2 Những vấn đề còn tồn tại .99

3 Hướng phát triển của đề tài: 99 TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan rằng tập luận văn này hoàn toàn do em tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện, không hề có sự sao chép hoặc sử dụng các nội dung sẵn có trong các luận văn,

đồ án khác Nếu các thầy cô phát hiện có sự sao chép nội dung từ các luận văn khác, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước các thầy cô giáo, Khoa Điện tử Viễn Thông và Viện Đào tạo sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hà Nội, tháng 3 năm 2011

Học viên

Nguyễn Quốc Minh

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Nguyên văn tiếng Anh Giải nghĩa tiếng Việt ADC Analog to Digital Convertor Bộ chuyển đổi tương tự - số

CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập theo mã

DTE Data Terminal Equipment Thiết bị đầu cuối dữ liệu

DCE Data Circuit - Terminating Equipment Mạch truyền dẫn dữ liệu

DS/SS: Direct Sequence Spreading Spectrum Trải phổ chuỗi trực tiếp

FH/SS Frequency Hopping Spreading

TH/SS Time Hopping Spreading Spectrum Trải phổ nhảy thời gian

EDGE Enhanced Data rate for GSM

Evolution

Các tốc độ số liệu tăng cường cho phát triển GSM

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập theo tần số

FTP File Transfer Protocol Giao thức truyền file

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút hỗ trợ cổng GPRS

GMSC Gateway Mobile Service Switching

GPS Global Possition System Hệ thống định vị toàn cầu

Telecommunication

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

HLR Home Location Register Thanh ghi định vị thường trú

HSDPA High Speed Downlink Pakage Access Truy cập gói đường xuống tốc độ

cao

ITU International Telecommunications

MMS MultiMedia Messaging Service Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện

MSC Mobile Switching Centre Trung tâm chuyển mạch các dịch

vụ di động

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế pha vuông góc

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS

SMS Short Message Service Dịch vụ nhắn tin ngắn

TDMA Time Division Multiple Access Đa truy nhập theo thời gian

UMTS Universal Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

Telecommunications System cầu

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Những điểm khác biệt chính giữa WCDMA và GSM 20

Bảng 4.1 Giới thiệu một số thông số kỹ thuật của LM35: 57

Bảng 5.1 Ký hiệu và thứ tự chân của cổng USB: 82

Bảng 5.2 Miêu tả chân PL2303: 86

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 

Hình 1.1 Phân bổ tần số trong FDD và TDD: 21

Hình 1.2 Mô hình cấu trúc hệ thống 3G 22

Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng quát của mạng thông tin di động thế hệ 3: 22

Hình 1.4 Cấu trúc quản lý tài nguyên: 24

Hình 1.5 Cấu trúc dịch vụ: 25

Hình 1.6 Tín hiệu trải phổ 26

Hình 2.1 Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH: 28

Hình 2.2 Quá trình truy nhập CPCH: 29

Hình 2.4 Sơ đồ khối của máy thu vô tuyến trong WCDMA 30

Hình 3.1 Hình ảnh trái đất nhìn từ vệ tinh 32

Hình 3.2 Ba thành phần cơ bản của GPS: 33

Hình 3.3 Vệ tinh GPS: 34

Hình 3.4 Cấu trúc tín hiệu GPS: 45

Hình 3.5 Các trạm điều khiển GPS 46

Hình 3.6 Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh 38

Hình 3.7 Kỹ thuật đa trị tại các máy thu 38

Hình 3.8 Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS 39

Hình 3.9 Kỹ thuật định vị tuyệt đối 40

Hình 3.10 Kỹ thuật định vị tương đối 41

Hình 3.11 Tóm tắt độ chính xác của định vị GPS 43

Hình 3.12 Các phương pháp định vị dựa trên cell 44

Hình 3.13 Phương pháp đo OTDoA-IPDL 45

Hình 3.14 Cơ sở hạ tầng A-GPS 46

Hình 4.1 Cấu tạo của cặp nhiệt điện 50

Hình 4.2 Hình cặp nhiệt điện 51

Hình 4.3 Cấu tạo của nhiệt điện trở RTD 51

Hình 4.4 Cảm biến dạng NTD 52

Hình 4.5 Cấu tạo Thermistor 52

Hình 4.6 Các dạng Thermistor 53

Hình 4.7 IC cảm biến nhiệt LM35 và cảm biến nhiệt dạng diode 54

Hình 4.8 IC cảm biến nhiệt DS18B20 54

Hình 4.9 Cảm biến LM35 56

Hình 4.10 Cảm biến LM35 nhìn từ dưới lên 56

Hình 4.11 Sơ đồ cảm biến LM35 với thang đo từ 2oC đến 150oC 57

Hình 4.12 Sơ đồ cảm biến LM35 với thang đo toàn dải từ -55oC đến 150oC 57

Hình 4.13 Cảm biến nhiệt DS1820 58

Hình 5.1 Vi điều khiển ATMEGA128 61

Hình 5.2 Module SIM5218A 62

Hình 5.3 Sơ đồ chân của ATMEGA128 66

Hình 5.4 Cấu trúc của ATMEGA128 67

Hình 5.5 Sơ đồ khối của bộ truyền nhận UART 68

Hình 5.6 Bộ dồn kênh 70

Hình 5.7 Sơ đồ của bộ timer/counter0 8 bit 70

Hình 5.8 Sơ đồ của bộ timer/counter1 16 bit 71

Hình 5.9 Sơ đồ của bộ timer/counter2 8 bit 71

Hình 5.10 Sơ đồ khối SIM5218A 73

Hình 5.11 Sơ đồ khối nguồn cung cấp cho mạch 74

Hình 5.12 Kết nối camera module với SIM5218A 77

Hình 5.13 Kết nối USIM và SIM5218A 78

Hình 5.14 Kết nối MIC và SIM5218A 78

Hình 5.15 Kết nối SIM5218A với vi điều khiển 79

Hình 5.16 Kết nối SIM5218A với cổng USB 79

Hình 5.17 Sơ đồ khối hệ thống 85

Hình 5.18 Mạch in nhìn từ trên xuống (top view) 86

Hình 5.19 Mạch in nhìn từ dưới lên (bottom view) 86

Hình 5.20 Mạch hoàn chỉnh 87

Hình 5.21 Mạch hoàn chỉnh với antenna 3G và antena GPS 87

tổ chức nghiên cứu phát triển công nghệ di động đang nỗ lực hướng tới một hệ thống thông tin di động hoàn hảo, các dịch vụ đa dạng, chất lượng dịch vụ cao

Tại Việt Nam, thị trường di động trong những năm gần đây cũng đang phát triển với tốc độ tương đối nhanh Tính đến đầu năm 2009, cùng với “đại gia” di động Vinaphone, Mobifone và Vietel, đã có thêm nhiều doanh nghiệp tham gia vào thị trường này như EVNTelecom, S-fone và HanoiTelecom Bên cạnh đó còn có một số doanh nghiệp đã được cấp phép triển khai cung cấp dịch vụ di động theo mô hình MVNO như Đông Dương Telecom và VTC Mặc dù vậy, các nhà mạng vẫn chỉ sử dụng 2 công nghệ chính là GSM (Vinaphone, Mobifone, Viettel) và CDMA (EVNTelecom, S-fone, HanoiTelecom)

Khi nhu cầu sử dụng dịch vụ thoại đã dần trở nên đơn giản và bão hòa đối với phần lớn bộ phận khách hàng thì các tính năng khác của dịch vụ di động, trong đó đặc biệt là dịch vụ dữ liệu đã và đang trở thành mối quan tâm hàng đầu của các tầng lớp khách hàng Với GSM, các nhà mạng cũng chỉ có thể triển khai dịch vụ dữ liệu trên nền GPRS, còn với công nghệ CDMA, tuy có hỗ trợ dịch vụ dữ liệu CDMA20001x nhưng tốc độ còn hạn chế Trong khi đó, số lượng trạm EVDO không nhiều dẫn đến vùng phủ hạn chế, hơn nữa

do khó khăn về thiết bị đầu cuối EVDO nên có thể nói khả năng đáp ứng của các nhà cung cấp là rất hạn chế so với đòi hỏi từ phía khách hàng Có thể nói, nhu cầu về tăng tốc

độ truyền dữ liệu (thoại, dữ liệu, ảnh) của người sử dụng qua mạng di động đang trở nên ngày càng bức thiết

Cho đến tháng 4/2009, Bộ Thông tin và Truyền thông đã tổ chức thi tuyển và cấp phép triển khai mạng 3G cho 5 nhà mạng Viettel, Vinaphone và Mobifone dành được giấy phép riêng, còn liên danh EVNTelecom và HanoiTelecom (nay là Vietnamobile) sở hữu chung 1 giấy phép Các giấy phép thiết lập mạng 3G theo tiêu chuẩn IMT-2000 đã

mở ra một kỷ nguyên mới trong lộ trình triển khai và cung cấp các ứng dụng dữ liệu băng rộng cho khách hàng Thực tế là cho đến thời điểm hiện nay, chỉ còn Vietnamobile chưa triển khai hạ tầng cung cấp dịch vụ, còn tất cả các nhà mạng giành được giấy phép đều đã triển khai hạ tầng và chính thức cung cấp dịch vụ cho khách hàng trên nền công nghệ WCDMA

Xuất phát từ thực tế triển khai Mạng thông tin di động dựa trên công nghệ WCDMA tại Việt Nam và nhu cầu về tăng tốc độ truyền dữ liệu (thoại, dữ liệu, ảnh) của người sử dụng qua mạng di động, em xin trình bày bài luận văn tốt nghiệp với đề tài

“Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ tích hợp truyền dữ liệu và ảnh trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba”

Trên thế giới, nhiều hãng sản xuất thiết bị đầu cuối hỗ trợ 3G như Nokia (Phần Lan), Sony Ericsson (Thụy Điển) hay Apple (Mỹ) đã cho ra đời các sản phẩm chạy ứng dụng truyền dữ liệu và ảnh tĩnh qua mạng 3G Tuy nhiên, đó là các thiết bị được đóng gói hoàn chỉnh và chúng ta rất khó tìm hiểu cách thức thiết kế và thực hiện sản phẩm đó Dựa trên kiến thức thu được trong quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, em thực hiện đề tài này với khát vọng tìm hiểu công nghệ và chế tạo thử nghiệm các thiết bị đầu cuối truyền nhận dữ liệu trên mạng 3G Trong tương lai không xa, dịch vụ 3G sẽ trở nên phổ biến ở nước ta Và em hy vọng rằng, xuất phát từ những ý tưởng và khát vọng cùng những kết quả thực nghiệm của mình, em sẽ góp phần vào công cuộc cách mạng sản xuất những thiết bị đầu cuối 3G “made in Việt Nam” trong thời gian tới

Nội dung luận văn gồm có 5 chương:

- Chương I: Tổng quan về mạng di động thế hệ ba

- Chương II: Công nghệ truyền ảnh tĩnh qua mạng WCDMA

- Chương III: Công nghệ GPS trong mạng WCDMA

- Chương IV: Công nghệ cảm biến

- Chương V: Thiết kế và chế tạo thử nghiệm bộ tích hợp truyền dữ liệu và ảnh tĩnh trong máy di động cho hệ thống WCDMA

Em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo, PGS TS Vũ Văn Yêm đã tận tình hướng

dẫn, chỉ bảo cho em những kiến thức bổ ích và định hướng cho em thực hiện những ý tưởng của mình Em xin cảm ơn các anh chị và các bạn tại Trung tâm Viễn thông Di động Điện lực – EVNTelecom, đã động viên và giúp đỡ em trong quá trình thực nghiệm đề tài này

Do đây là một đề tài tương đối phức tạp và đề cập đến nhiều nội dung, trong khi đó thời gian nghiên cứu còn hạn chế, do đó chắc tập luận văn này không tránh khỏi thiếu sót Kính mong các thầy giáo, anh chị và các bạn cho ý kiến góp ý để đề tài được hoàn thiện hơn Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, tháng 3 năm 2011

Học viên

Nguyễn Quốc Minh

Chương I Tổng quan về mạng di động thế hệ thứ ba

Sự phát triển nhanh chóng của dịch vụ số liệu mà IP đã đặt ra các yêu mới đối với công nghệ viễn thông di động Thông tin di động thế hệ 2 mặc dù sử dụng công nghệ số nhưng là hệ thống băng hẹp và được xây dựng trên cơ chế chuyển mạch kênh nên không thể đáp ứng được dịch vụ mới này 3G (third generation), công nghệ truyền thông thế hệ thứ ba, là giai đoạn mới nhất trong sự tiến hóa của ngành viễn thông di động Nếu 1G (the first gerneration) điện thoại di động là những thiết bị analog, chỉ có khả năng truyền thoại, 2G (the second generation) ĐTDĐ gồm cả hai công năng truyền thoại và dữ liệu giới hạn dựa trên kỹ thuật số, thì 3G (third Generation), hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 với tên gọi IMT – 2000, đã mở rộng đáng kể khả năng cung cấp dịch vụ và cho phép sử dụng nhiều phương tiện thông tin Mục đích của IMT – 2000 là đưa ra nhiều khả năng mới nhưng cũng đồng thời đảm bảo sự phát triển liên tục của hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai (2G) vào những năm 2000 3G mang lại cho người dùng các dịch vụ giá trị gia tăng cao cấp, giúp chúng ta thực hiện truyền thông thoại và dữ liệu (như e-mail và tin nhắn dạng văn bản), download âm thanh và hình ảnh với băng tần cao Các ứng dụng 3G thông dụng gồm hội nghị video di động; chụp và gửi ảnh kỹ thuật số nhờ điện thoại máy ảnh; gửi và nhận e-mail và file đính kèm dung lượng lớn; tải tệp tin video và MP3; thay cho modem để kết nối đến máy tính xách tay hay PDA và nhắn tin dạng chữ với chất lượng cao… Công nghệ di động 3G đã được triển khai thành công trên thế giới từ vài năm qua Tại Việt Nam, từ năm 2010, đã có 4 nhà khai thác viễn thông là Viettel, Vinaphone, Mobifone và EVNTelecom cung cấp dịch vụ 3G

1 Công nghệ 3G là gì?

3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (Third Generation) Để hiểu thế nào là công nghệ 3G, chúng ta hãy xét qua đôi nét về lịch sử phát triển của các hệ thống điện thoại di động Mặc dù các hệ thống thông tin di động thử nghiệm đầu tiên đựơc sử dụng vào những năm 1930-1940 trong trong các sở cảnh sát Hoa

Kỳ nhưng các hệ thống điện thoại di động thương mại thực sự chỉ ra đời vào khoảng cuối

những năm 1970 đầu những năm 1980 Các hệ thống điện thoại thế hệ đầu sử dụng công nghệ tương tự và người ta gọi các hệ thống điện thoại kể trên là các hệ thống 1G Đặc điểm của công nghệ 1G là:

- Mỗi MS được cấp phát đôi kênh liên lạc suốt thời gian thông tuyến

- Nhiễu giao thoa do tần số các kênh lân cận nhau là đáng kể

- Trạm thu phát gốc BTS phải có bộ thu phát riêng làm việc với mỗi MS trong

cellular

Hệ thống FDMA điển hình là hệ thống điện thoại di động tiên tiến AMPS

Hệ thống di động thế hệ 1 sử dụng phương pháp đa truy cập đơn giản, do đó không thể thỏa mãn nhu cầu ngày càng tăng của người dùng về cả dung lượng và tốc độ Những

hạn chế của hệ thống thông tin di động thế hệ 1:

- Phân bổ tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ

- Tiếng ồn khó chịu và nhiễu xảy ra khi máy di động chuyển dịch trong môi trường

fading đa tia

- Không cho phép giảm đáng kể giá thành của thiết bị di động và cơ sở hạ tầng

- Không đảm bảo tính bí mật của các cuộc gọi

- Không tương thích giữa các hệ thống khác nhau, đặc biệt ở châu Âu, làm cho

thuê bao không thể sử dụng được máy di động của mình ở các nước khác

- Chất lượng thấp và vùng phủ sóng hẹp

Giải pháp duy nhất để loại bỏ các hạn chế trên là phải chuyển sang sử dụng kỹ thuật thông tin số cho thông tin di động cùng với kỹ thuật đa truy cập mới ưu điểm hơn về cả dung lượng và các dịch vụ được cung cấp Vì vậy đã xuất hiện hệ thống thông tin di động thế hệ 2

Ở châu Âu, vào năm 1982 tổ chức các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông châu Âu (CEPT – Conférence Européene de Postes et Telécommunications) đã thống nhất thành lập một nhóm nghiên cứu đặc biệt gọi là Groupe Spéciale Mobile (GSM) có nhiệm vụ xây dựng bộ các chỉ tiêu kỹ thuật cho mạng điện thoại di động toàn châu Âu hoạt động ở dải tần 900 MHz Nhóm nghiên cứu đã xem xét nhiều giải pháp khác nhau và cuối cùng đi

đến thống nhất sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo mã băng hẹp (Narrow Band TDMA) Năm 1988 phiên bản dự thảo đầu tiên của GSM đã được hoàn thành và hệ thống GSM đầu tiên được triển khai vào khoảng năm 1991 Kể từ khi ra đời, các hệ thống thông tin di động GSM đã phát triển với một tốc độ hết sức nhanh chóng, có mặt ở 140 quốc gia

và có số thuê bao lên tới gần 1 tỷ Lúc này thuật ngữ GSM có một ý nghĩa mới đó là hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System Mobile)

Cũng trong thời gian kể trên, ở Mỹ các hệ thống điện thoại tương tự thế hệ thứ nhất AMPS được phát triển thành các hệ thống điện thoại di động số thế hệ 2 tuân thủ tiêu chuẩn của hiệp hội viễn thông Mỹ IS-136 Khi công nghệ CDMA (Code Division Multiple Access – IS-95) ra đời, các nhà cung cấp dịch vụ điện thoại di động ở Mỹ cung cấp dịch vụ ở chế độ song song, cho phép thuê bao có thể truy cập vào cả hai mạng IS-

136 và IS-95

Do nhận thức rõ về tầm quan trọng của các hệ thống thông tin di động mà ở Châu

Âu, ngay khi quá trình tiêu chuẩn hoá GSM chưa kết thúc người ta đã tiến hành dự án nghiên cứu RACE 1043 với mục đích chính là xác định các dịch vụ và công nghệ cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 cho năm 2000 Hệ thống 3G của châu Âu được gọi là UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) Những người thực hiện dự án mong muốn rằng hệ thống UMTS trong tương lai sẽ được phát triển từ các hệ thống GSM hiện tại Ngoài ra người ta còn có một mong muốn rất lớn là hệ thống UMTS sẽ có khả năng kết hợp nhiều mạng khác nhau như PMR, MSS, WLAN… thành một mạng thống nhất có khả năng hỗ trợ các dịch vụ số liệu tốc độ cao và quan trọng hơn đây sẽ là một mạng hướng dịch vụ

Song song với châu Âu, Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU – International Telecommunications Union) cũng đã thành lập một nhóm nghiên cứu để nghiên cứu về các hệ thống thông tin di động thế hệ 3, nhóm nghiên cứu TG8/1 Nhóm nghiên cứu đặt tên cho hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 của mình là Hệ thống Thông tin Di động Mặt đất Tương lai (FPLMTS – Future Public Land Mobile Telecommunications System) Sau này, nhóm nghiên cứu đổi tên hệ thống thông tin di động của mình thành Hệ thống

Thông tin Di động Toàn cầu cho năm 2000 (IMT-2000 – International Mobile Telecommunications for the year 2000)

2 Các tiêu chí chung để xây dựng IMT – 2000:

IMT-2000 cung cấp hạ tầng kỹ thuật cho các dịch vụ gia tăng và các ứng dụng trên một chuẩn duy nhất cho mạng thông tin di động

- Sử dụng dải tần quy định quốc tế 2GHz như sau: Đuờng lên: 1885 – 2025 MHz;

đường xuống: 2110-2200 MHz IMT-2000 hỗ trợ tốc độ đường truyền cao hơn: tốc độ tối thiểu là 2Mbps cho người dùng văn phòng hoặc đi bộ; 348Kbps khi di chuyển trên xe Trong khi đó, hệ thống viễn thông 2G chỉ có tốc độ từ 9,6Kbps tới 28,8Kbps

- Là hệ thống thông tin di động toàn cầu cho các loại hình thông tin vô tuyến:

o Tích hợp các mạng thông tin hữu tuyến và vô tuyến

o Tương tác cho mọi loại dịch vụ viễn thông từ cố định, di động, thoại, dữ liệu, Internet đến các dịch vụ đa phương tiện

- Có thể hỗ trợ các dịch vụ như:

o Các phương tiện tại nhà ảo trên cơ sở mạng thông minh, di động các nhân và chuyển mạng toàn cầu

o Đảm bảo chuyển mạng quốc tế cho phép người dùng có thể di chuyển đến bất

kỳ quốc gia nào cũng có thể sử dụng một số điện thoại duy nhất

o Đảm bảo các dịch vụ đa phương tiện đồng thời cho tiếng, số liệu chuyển mạch kênh và số liệu chuyển mạch gói

- Dễ dàng hỗ trợ các dịch vụ mới xuất hiện

Môi trường hoạt động của IMT – 2000 được chia thành 4 vùng với tốc độ bit R như sau:

- Vùng 1: Trong nhà, ô pico, Rb ≤ 2 Mbit/s

- Vùng 2: Thành phố, ô macrô, R b ≤ 384 kbit/s

- Vùng 2: Ngoại ô, ô macrô, Rb ≤ 144 kbit/s

- Vùng 4: Toàn cầu, Rb = 9,6 kbit/s

3 Các đặc điểm của mạng 3G:

- Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiện, nghĩa là

mạng phải đảm bảo được tốc độ bit của người sử dụng đến 2Mbit/s

- Mạng phải có khả năng cung cấp độ rộng băng tần (dung lượng) theo yêu cầu và

cần đảm bảo đường truyền vô tuyến không đối xứng, chẳng hạn: tốc độ bit cao ở đường xuống và tốc độ bit thấp ở đường lên hoặc ngược lại

- Mạng phải cung cấp thời gian truyền dẫn theo yêu cầu

- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng dịch vụ mạng cố định

- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh

Hiện nay, châu Âu và các quốc gia sử dụng GSM cùng với Nhật đang phát triển WCDMA trên cơ sở UMTS, còn Mỹ thì tập trung phát triển thế hệ hai (IS-95) và mở rộng tiêu chuẩn này đến IS-2000 Các tiêu chuẩn di động băng rộng mới được xây dựng trên cơ

sở CDMA hoặc CDMA kết hợp TDMA

Công nghệ WCDMA được nghiên cứu để đưa ra đề xuất cho hệ thống thông tin di động thế hệ 3 có các tính năng cơ sở sau:

- Hoạt động ở CDMA băng rộng với băng tần 5MHz

- Lớp vật lý mềm dẻo để tích hợp được tất cả các tốc độ trên một sóng mang

- Hệ số tái sử dụng tần số bằng 1

Ngoài ra công nghệ này còn được tăng cường các tính năng sau:

- Phân tập phát

- Anten thích ứng

- Hỗ trợ các cấu trúc thu tiên tiến

Như vậy, WCDMA (Wideband CDMA) là công nghệ thông tin di động thế hệ ba giúp tăng tốc độ truyền nhận dữ liệu cho hệ thống GSM bằng cách dùng kỹ thuật CDMA hoạt động ở băng tần rộng thay thế cho TDMA Trong 3G thì WCDMA nhận được sự ủng

hộ lớn nhất trước hết nhờ tính linh hoạt của lớp vật lý trong việc hỗ trợ các kiểu dịch vụ khác nhau đặc biệt là các dịch vụ tốc độ bit thấp và trung bình

4 Sự khác nhau cơ bản giữa mạng 3G và 2G:

Để hiểu được nền tảng sự khác nhau cơ bản giữa hai hệ thống 2G và 3G, ta tóm tắt các yêu cầu mới của các hệ thống thế hệ thứ 3 như sau:

- Tốc độ bit lên tới 2 Mbit/s, và thay đổi theo yêu cầu về dải thông

- Tính chất đa phương tiện

- Yêu cầu chất lượng từ 10% lỗi khung và 10-6 BER

- Cùng tồn tại cả mạng thế hệ 2 và 3 và chuyển giao qua lại giữa chúng để mở rộng

vùng bao phủ và cân bằng tải

- Yêu cầu bất đối xứng lưu lượng giữa hướng lên và hướng xuống

- Hiệu quả sử dụng phổ tần cao

- Cùng tồn tại cả FDD và TDD

Tần số điều khiển công suất 1500 Hz 2 Hz hay thấp hơn

Sự phân tập về tần số Với dải tần 5 MHZ tạo nên sự

đa dạng cho phân tập tần số Kỹ thuật nhảy tần

Điều khiển chất lượng Thuật toán quản lý tài nguyên

vô tuyến

Quy hoạch mạng (quy hoạch tần số)

Dữ liệu gói Tải theo phương thức gói Dùng khe thời gian

Sự phân tập hướng xuống Cung cấp cho việc cải thiện

dung lượng hướng xuống

Không được hỗ trợ bởi các tiêu chuẩn

Bảng 1.1 Những điểm khác biệt chính giữa WCDMA và GSM

WCDMA có khả năng làm việc ở cả hai chế độ FDD và TDD cho phép sử dụng hiệu quả phổ tần được cấp phát ở các vùng khác nhau

- FDD: là phương pháp ghép song công trong đó truyền dẫn đường lên và đường

xuống sử dụng hai tần số riêng biệt Do đó hệ thống được phân bố một cặp băng tần riêng biệt

- TDD: là phương pháp ghép song công trong đó đường lên và đường xuống được

thực hiện trên cùng một tần số bằng cách sử dụng những khe thời gian luân phiên

và được chia thành hai phần: phần phát và phần thu Thông tin đường xuống và đường lên được truyền dẫn luân phiên

TDD RX/TX

FDD Uplink

TDD RX/TX

FDD Downlink

Hình 1.1 Phân bố tần số trong FDD và TDD

5 Cấu trúc mạng 3G:

Hệ thống 3G WCDMA được xây dựng trên cơ sở mạng GPRS Về mặt chức năng

có thể chia cấu trúc mạng WCDMA ra làm hai phần : mạng lõi (CN) và mạng truy cập vô tuyến (UTRAN), trong đó mạng lõi sử dụng toàn bộ cấu trúc phần cứng của mạng GPRS, còn mạng truy cập vô tuyến là phần nâng cấp của WCDMA Ngoài ra để hoàn thiện hệ thống, trong WCDMA còn có thiết bị người sử dụng (UE) thực hiện giao diện người sử dụng với hệ thống

Từ quan điểm chuẩn hóa, cả UE và UTRAN đều bao gồm những giao thức mới được thiết kế dựa trên công nghệ vô tuyến WCDMA, trái lại mạng lõi được định nghĩa hoàn toàn dựa trên GSM Điều này cho phép hệ thống WCDMA phát triển mang tính toàn cầu trên cơ sở công nghệ GSM

Khoảng bảo vệ

Đường xuống

Đường lên

Hình 1.2 Mô hình cấu trúc hệ thống 3G

WCDMA là một giao diện vô tuyến phức tạp và tiên tiến trong lĩnh vực thông tin di động, nó sẽ là công nghệ xây dựng cơ sở hạ tầng và kiến trúc mạng tế bào của hầu hết mạng 3G trên thế giới, hình thành kết nối giữa thiết bị di động của người sử dụng cùng với mạng lõi

Hình vẽ dưới đây thể hiện 2 phần của mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA:

Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng quát của mạng thông tin di động thế hệ 3 WCDMA

Mạng đường trục

IWF GMSC

VLR MSC

NB 

NB 

NB  RNC 

- UTRAN (UMTS Terestrial Radio Access Network)

Mạng truy cập vô tuyến có nhiệm vụ thực hiện các chức năng liên quan đến truy cập

vô tuyến UTRAN gồm hai phần tử :

o NodeB: Thực hiện chuyển đổi dòng số liệu giữa các giao diện Iub và Uu Nó cũng tham gia quản lý tài nguyên vô tuyến

o Bộ điều khiển mạng vô tuyến RNC: Có chức năng sở hữu và điều khiển các tài nguyên vô tuyến ở trong vùng (các nút B được kết nối với nó) RNC còn là điểm truy cập tất cả các dịch vụ do UTRAN cung cấp cho mạng lõi CN

- CN (Core Network) Gồm có các thành phần:

o HLR (Home Location Register)

o MSC/VLR (Mobile Services Switching Center/Visitor Location Register):

o GMSC (Gateway MSC): Trung tâm chuyển mạch các dịch vụ di động cổng kết nối với mạng ngoài

o SGSN (Servicing GPRS Support Node): Node hỗ trợ GPRS

o GGSN (Gateway GPRS Support Node): Node hỗ trợ GPRS cổng

o AuC và EIR

- Các giao diện vô tuyến

o Giao diện Cu: Là giao diện giữa thẻ thông minh USIM và ME Giao diện này tuân theo một khuôn dạng chuẩn cho các thẻ thông minh

o Giao diện Uu: Là giao diện mà qua đó UE truy cập các phần tử cố định của hệ thống và vì thế mà nó là giao diện mở quan trọng nhất của UMTS

o Giao diện Iu: Giao diện này nối UTRAN với CN, nó cung cấp cho các nhà khai thác khả năng trang bị UTRAN và CN từ các nhà sản xuất khác nhau

o Giao diện Iur: Cho phép chuyển giao mềm giữa các RNC từ các nhà sản xuất khác nhau

o Giao diện Iub: Giao diện cho phép kết nối một nút B với một RNC Iub được tiêu chuẩn hóa như là một giao diện mở hoàn toàn

- Cấu trúc quản lý tài nguyên:

Cấu trúc quản lý tài nguyên dựa trên cơ sở phân chia các chức năng quản lý chủ yếu sau:

o Quản lý kết nối (CM): bao gồm tất cả các thủ tục, các chức năng liên quan đến việc quản lý kết nối của người sử dụng

o Quản lý di động (MM): gồm tất cả các chức năng , các thủ tục quản lý di động

và bảo mật như các thủ tục bảo mật kết nối, các thủ tục cập nhật vị trí

o Quản lý tài nguyên vô tuyến (RRM): bao gồm các thủ tục thực hiện việc quản

lý tài nguyên vô tuyến (điều khiển công suất, chuyển giao và điều khiển tải hệ thống)

Hình 1.4 Cấu trúc quản lý tài nguyên

Điều khiển thông tin

Điều khiển tài nguyên vô tuyến

Các chức năng điều khiển được kết hợp với nhóm các dịch vụ điều khiển sau:

o Điều khiển thông tin (COMC): duy trì các cơ chế như điều khiển cuộc gọi, điều khiển phiên trong chuyển mạch gói

o Điều khiển di động (MOBC): duy trì điều khiển cập nhật vị trí và bảo mật

o Điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRC): thực hiện chức năng quản lý thiết lập kết nối vô tuyến và duy trì kết nối giữa UE với UTRAN

vụ người sử dụng đầu cuối Lớp dịch vụ ở trên cùng trong mô hình dịch vụ tạo ra ngữ cảnh cho các dịch vụ phức tạp

6 Kỹ thuật trải phổ trong thông tin di động thế hệ 3:

Trong WCDMA với băng tần 5MHz thì chỉ tồn tại duy nhất phương thức trải phổ chuỗi trực tiếp DS với tốc độ chip là 3.84 Mcps

Trong WCDMA để tăng tốc độ truyền dữ liệu, phương pháp đa truy cập kết hợp TDMA và FDMA trong GSM được thay thế bằng phương pháp đa truy cập CDMA hoạt động ở băng tần rộng (5MHz) gọi là hệ thống thông tin trải phổ Trong các hệ thống thông tin thông thường, độ rộng băng tần là vấn đề quan tâm chính và các hệ thống này được thiết kế để sử dụng càng ít độ rộng băng tần càng tốt

LỚP DỊCH VỤ

LỚP PHẦN TỬ MẠNG LỚP TẠO DỊCH VỤ

LỚP TRUYỀN TẢI VẬT LÝ

Chức năng bảo mật

Quản

lý mạng

Tuy nhiên, ở hệ thống thông tin trải phổ (SS: Spread Spectrum), độ rộng băng tần của tín hiệu được mở rộng, thông thường hàng trăm lần trước khi được phát Khi chỉ có một người sử dụng trong băng tần SS, sử dụng băng tần như vậy không có hiệu quả Nhưng trong môi trường nhiều người sử dụng, các người sử dụng này có thể dùng chung một băng tần SS và hệ thống sử dụng băng tần có hiệu quả mà vẫn duy trì được các ưu điểm của trải phổ

Hình 1.6 Tín hiệu trải phổ

Một hệ thống thông tin số được coi là trải phổ nếu:

- Tín hiệu được phát chiếm độ rộng băng tần lớn hơn độ rộng băng tần tối thiểu cần

thiết để phát thông tin

- Trải phổ được thực hiện bằng một mã độc lập với số liệu

- Có ba kiểu hệ thống trải phổ cơ bản:

- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS/SS: Direct Sequence Spreading Spectrum)

- Trải phổ kiểu nhảy tần (FH/SS: Frequency Hopping Spreading Spectrum)

- Trải phổ nhảy thời gian (TH/SS: Time Hopping Spreading Spectrum)

Ngoài ra cũng có thể tổng hợp các hệ thống trên thành hệ thống lai ghép

Ở máy phát, bản tin được trải phổ bởi mã giả ngẫu nhiên Mã giả ngẫu nhiên phải được thiết kế để có độ rộng băng lớn hơn nhiều so với độ rộng băng của bản tin Ở phía thu, máy thu sẽ khôi phục tín hiệu gốc bằng cách nén phổ ngược với quá trình trải phổ bên máy phát

Trong hệ thống DS/SS tất cả các người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời Máy thu sử dụng tín hiệu giả ngẫu nhiên chính xác để lấy

ra tín hiệu mong muốn bằng cách nén phổ Trong các hệ thống FH/SS và TH/SS mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu nhiên sao cho không có cặp máy phát nào

sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian, như vậy các máy phát sẽ tránh được xung đột Như vậy, FH và TH là các kiểu hệ thống tránh xung đột, trong khi đó DS là kiểu hệ thống lấy trung bình

Chương II Truyền dữ liệu trong mạng di động thế hệ 3

Dữ liệu được truyền đi trong mạng thông tin di động thế hệ 3 nhờ các kênh Trong

hệ thống WCDMA có 3 loại kênh là kênh vật lý, kênh truyền tải và kênh logic

- Kênh vật lý (PCH) là kênh mang số liệu trên giao diện vô tuyến Mỗi PCH có một

mã trải phổ định kênh duy nhất để phân biệt với các kênh khác Một người sử dụng tích cực có thể sử dụng các PCH chung, riêng hoặc cả hai

- Kênh truyền tải (TCH) là kênh do lớp vật lý cung cấp cho lớp 2 để truyền số liệu

- Kênh Logic (LCH) được lớp con MAC của lớp 2 cung cấp cho lớp cao hơn

Nói chung các kênh logic (LoCH: Logical Channel) được chia thành hai nhóm: Các kênh điều khiển (CCH: Control Channel) để truyền thông tin điều khiển và các kênh lưu lượng (TCH) để truyền thông tin của ngưởi sử dụng

Kênh logic được lớp MAC chuyển đổi thành các kênh truyền tải Có 2 kiểu truyền tải là kênh riêng và kênh chung Kênh riêng chỉ có 1 kênh duy nhất là DCH (Dedicate Channel) Kênh truyền tải chung có thể được áp dụng cho tất cả mọi người trong cell hoặc cho một/vài người đặc thù

Kênh vật lý được coi là tần số, mã ngẫu nhiên, mã định kênh và cả pha tương đối (đối với đường lên) Kênh vật lý bao gồm kênh vật lý riêng và kênh vật lý chung

Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH và truy nhập gói CPCH:

Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên được cho trong hình dưới đây:

Hình 2.1 Quá trình truy nhập ngẫu nhiên RACH

UE khởi xướng thủ tục truy nhập ngẫu nhiên RACH bằng cách phát đi một tiền tố truy nhập (AP) Nếu chấp nhận (OK), NodeB phát đi phát chỉ thị phát hiện bắt AICH đến

UE Sau đó UE có thể phát bản tin trên RACH

Các thủ tục truy nhập ngẫu nhiên:

Hình 2.2 Quá trình truy nhập CPCH

Dựa trên thông tin khả dụng của từng kênh PCPCH do CSICH thông báo, UE khởi xướng thủ tục truy nhập CPCH trên kênh chưa sử dụng bằng cách phát đi một tiền tố truy nhập (AP) Nếu được node B chấp nhận (OK), UE phát đi một tiền tố phát hiện va chạm (CP) để thông báo rằng nó đã chiếm kênh này Cuối cùng NodeB phát đi CD/CA-ICH (chỉ thị phát hiện va chạm và ấn định kênh) đến UE Sau đó UE có thể phát gói trên CPCH (kênh gói chung)

Sau đây trình bày về việc gửi và nhận dữ liệu từ thiết bị đầu cuối di động 3G (UE – User Equipment) và hệ thống mạng (Node B - RNC – MSC )

Hình vẽ dưới đây cho thấy sơ đồ khối của máy phát vô tuyến trong mạng WCDMA

Hình 2.3 Sơ đồ khối của máy phát vô tuyến trong WCDMA

Dữ liệu (số) từ thiết bị đầu cuối 3G muốn truyền qua mạng 3G trước hết phải được lớp 1 (lớp vật lý) bổ sung chuỗi kiểm tra vòng dư CRC cho từng khối truyền tải là số liệu gốc cần xử lý nhận được từ lớp MAC để phát hiện lỗi ở phía thu Sau đó dữ liệu được mã hóa kênh và đan xen Số liệu sau đan xen được bổ sung thêm các bít hoa tiêu và các bit điều khiển công suất phát, được sắp xếp lên các nhanh I và nhánh Q của QPSK và được trải phổ 2 lớp (trải phổ và ngẫu nhiên hóa) Chuỗi chip sau ngẫu nhiên hóa được giới hạn trong băng tần 5MHz bằng bộ lọc Nyquist cosin tăng căn hai (hệ số dốc bằng 0,22) và được biến đổi vào tương tự bằng bộ biến đổi D/A để đưa lên điều chế vuông góc cho sóng mang Tín hiệu trung tần (IF) sau điều chế được biến đổi nâng tần vào sóng vô tuyến trong băng tần 2 GHz, sau đó được đưa lên khuếch đại trước khi chuyển đến an ten để phát vào không gian (tới Node B)

Hình 2.4 Sơ đồ khối của máy thu vô tuyến trong WCDMA

Khi thiết bị đầu cuối nhận dữ liệu: tín hiệu thu được bộ khuếch đại tạp âm thấp khuếch đại và được biến đổi vào trung tần thu rồi được khuếch đại tuyến tính bởi bộ khuếch đại AGC Sau khuếch đại AGC, tín hiệu được giải điều chế để được các thành phần I và Q Các tín hiệu tương tự của các thành phần này được biến đổi vào số bằng bộ biến đổi A/D, được lọc bởi bộ lọc Nyquist cosin nâng căn hai và được phân chia theo thời gian vào một số thành phần đường truyền có các thời gian trễ truyền sóng khác nhau Máy

thu RAKE chọn các thành phần lớn hơn một ngưỡng cho trước Sau giải trải phổ cho các thành phần này, chúng được kết hợp bởi bộ kết hợp máy thu RAKE Tín hiệu tổng được giải đan xen, giải mã kênh (giải mã sửa lỗi), được phân thành các khối truyền tải TB (Transport Block) và được phát hiện lỗi Cuối cùng chúng được đưa tới lớp cao hơn

Chương III: Công nghệ GPS trong mạng WCDMA

1 Tổng quan về hệ thống định vị toàn cầu GPS

Từ xưa, con người đã biết căn cứ vào các chòm sao, sau đó là sử dụng la bàn và bản

đồ để xác định vị trí và tìm đường trong các chuyến thám hiểm khai phá các miền đất lạ Cho đến năm 1995, khi các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GPS của Mỹ và GLONASS của Nga chính thức đi vào hoạt động thì các nhu cầu về định vị dẫn đường mới được giải quyết một cách cơ bản

Ngoài mục tiêu quân sự như ý tưởng thiết kế ban đầu, các hệ thống vệ tinh định vị

đã được ứng dụng rộng rãi và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực dân sự Ngày nay, công nghệ định vị toàn cầu đã trở thành một ngành công nghiệp đang được phát triển và ứng dụng hết sức mạnh mẽ

a GPS là gì?

GPS (Global Positioning System) là hệ thống định vị dựa vào các vệ tinh Nó có nhiều ưu điểm sau:

- Độ chính xác định vị cao, từ decamet đến milimet

- Có sẵn cho người sử dụng bất cứ đâu trên trái đất

- Hoạt động liên tục 24h/ngày, trong mọi điều kiện thời tiết

Hình 3.1 : Hình ảnh trái đất nhìn từ vệ tinh

GPS trước tiên là một hệ thống hàng hải phục vụ cho mục đích quân sự Nó được thiết kế, hỗ trợ tài chính, khai thác và điều khiển bởi Bộ quốc phòng Mỹ Tuy nhiên GPS được cung cấp miễn phí cho người sử dụng dân sự ở một mức độ giới hạn

GPS được thiết kế để thay thế cho hệ thống vệ tinh Doppler TRANSIT đã phục vụ tốt cho cộng đồng trắc địa và hàng hải trên 20 năm Việc xây dựng thành công GPS là nhờ vào những thành tựu khoa học và kỹ thuật sau:

- Độ tin cậy cao của hệ thống không gian

- Công nghệ đồng hồ nguyên tử độ chính xác cao

- Khả năng xác định và theo dõi vệ tinh một cách chính xác

- Công nghệ VLSI và quang phổ rộng

9 Mảng không gian

Bao gồm các quả vệ tinh Các chức năng chính của vệ tinh bao gồm:

- Thu nhận và lưu trữ dữ liệu được truyền từ mảng điều khiển

- Cung cấp thời gian chính xác bằng các chuẩn tần số nguyên tử đặt trên vệ tinh

- Truyền thông tin và tín hiệu đến người sử dụng trên một hay hai tần số

Hình 3.3 Vệ tinh GPS

Các thế hệ vệ tinh GPS được đánh số Block I, II, IIA, IIR và IIF Thế hệ vệ tinh đầu tiên là Block I được xây dựng bởi Rockwell International Corporation, nặng khoảng 800kg và tuổi thọ khoảng 5 năm Block II và IIA cũng do công ty này xây dựng nhưng nặng đến 900 kg Tuổi thọ của chúng khoảng 7.5 năm Sự thay thế các vệ tinh Block II/IIA bằng Block IIR bắt đầu từ năm 1996 Những vệ tinh này công ty General Electric xây dựng Block IIF vẫn đang trong giai đoạn thiết kế và dự định phóng lên quĩ đạo từ năm 2005

Theo thiết kế ban đầu, hệ thống GPS có 24 vệ tinh Tuy nhiên hiện nay con số này

đã thay đổi Có lúc nó đạt đến 31 rồi giảm xuống 30 vệ tinh Cấu hình quĩ đạo của các vệ tính như sau:

- Có 6 mặt phẳng quĩ đạo gần tròn

- Trên mỗi mặt phẳng quĩ đạo có 4 đến 5 vệ tinh

- Mặt phẳng quĩ đạo nghiêng so với xích đạo khoảng 55°

- Độ cao bay trên mặt đất xấp xỉ 20.200km

Hình 3.4 Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh truyền một tín hiệu hàng hải duy nhất trên hai tần số L1 1575.42MHz và L2 1227.60MHz Các tín hiệu vệ tinh bao gồm:

- Hai tần số sóng mang

- Mã đo khoảng cách được điều biến vào các sóng mang

- Thông báo hàng hải chứa đựng thông tin về vị trí và đồng hồ vệ tinh

9 Mảng điều khiển

Mảng điều khiển bao gồm các tiện ích cần cho việc giám sát sức khoẻ; theo dõi, điều khiển, tính toán bản lịch vệ tinh và nạp dữ liệu lên vệ tinh Có 5 trạm điều khiển trên mặt

đất: Hawaii, Colorado Springs, Ascension Is., Diego Garcia và Kwajalein Chức năng của chúng như sau:

- Tất cả 5 đều là trạm giám sát, theo dõi vệ tinh và truyền dữ liệu đến trạm điều

khiển chính

- Trạm đặt tại Colorado Springs là trạm điều khiển chính (MSC) Tại đó dữ liệu

theo dõi được xử lý nhằm tính toạ độ và số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh

Ba trạm tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein là các trạm nạp dữ liệu lên vệ tinh Dữ liệu bao gồm các bản lịch và thông tin số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh trong thông báo hàng hải

Hình 3.5 Các trạm điều khiển GPS

9 Mảng người sử dụng

Thiết bị của người sử dụng GPS là các máy thu bao gồm:

- Phần cứng (theo dõi tín hiệu và trị đo khoảng cách)

- Phần mềm (các thuật toán, giao diện người sử dụng)

- Các quá trình điều hành

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại máy thu khác nhau về chủng loại, độ chính xác và giá tiền Theo cấu tạo có thể chia thành hai loại:

- Máy thu một tần số: là loại máy thu chỉ thu được tín hiệu trên 1 tần số L1

- Máy thu hai tần số: là loại máy có thể thu đầy đủ tín hiệu trên hai tần số

Theo độ chính xác, có thể chia làm ba loại:

- Độ chính xác cao: đây là loại máy thu hai tần số đắt tiền nhất hiện nay được dùng

trong trắc địa Thiết bị phần cứng phức tạp nên việc sử dụng khó khăn Ví dụ như Trimble 4800, Topcon Legacy, Topcon Hiper Series, Topcon GB-500, Topcon GB-1000, Leica system 500,vv…

- Độ chính xác trung bình: đây là loại máy thu một tần số, có cấu tạo đơn giản dễ

mang vác và dễ sử dụng cho thu thập dữ liệu phục vụ bản đồ và GIS Ví dụ như Trimble Geo-explorer XT, Ashtech Reliance

- Độ chính xác thấp: cũng là loại máy thu một tần số nhưng có cấu tạo gọn nhẹ

nhất (thường là máy thu cầm tay) và rẻ tiền nhất thường được dùng cho các mục đích định vị hàng hải, du lịch, … Ví dụ Lowrance 200, Garmin III+, Magenlan

c GPS có thể đo những gì?

Các máy thu GPS cung cấp các trị đo là khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Tuy nhiên các trị đo này bao gồm hai loại sau:

- Giả cự ly (pseudo-range): là trị đo dựa trên nguyên tắc đo xung với xung là mã P

hay mã C/A Đặc điểm của trị đo này là độ chính xác thấp (0.3 m cho mã P và 3m cho C/A) nhưng nó thể hiện trực tiếp khoảng cách hình học từ máy thu đến vệ tinh Vì mã đo khoảng cách P được truyền trên hai tần số L1 và L2 nên tương ứng cho hai trị đo P1 và P2 Trong khi đó mã C/A chỉ hiện diện trên L1 nên chỉ có trị

đo duy nhất C1

Hình 3.6 Kỹ thuật so trùng để giải mã tín hiệu từ vệ tinh

- Trị đo pha: bước sóng của các sóng mang rất ngắn – xấp xỉ 19cm cho L1 và 24

cm cho L2 Giả sử rằng độ phân giải của trị đo khoảng 1-2% bước sóng thì pha sóng mang có thể được đo đến mức độ milimét Không may mắn là trị đo này vẫn còn thiếu số nguyên chu kỳ pha để có thể chuyển thành khoảng cách từ máy thu đến vệ tinh Vì vậy để xử lý trị đo này cần có những phần mềm chuyên dụng cho mục đích trắc địa

Hình 3.7 Kỹ thuật giải đa trị tại các máy thu

Như vậy một máy thu một tần sẽ thu được 3 trị đo là C1, P1 và L1 Trong khi máy thu hai tần sẽ cung cấp đến 7 loại trị đo: C1, P1, L1, P2, D1, D2 và L2

Các trị đo trên không chỉ chứa sai số đo của máy thu vì khi tín hiệu đi từ vệ tinh đến máy thu nó bị ảnh hưởng nặng nề do đồng hồ của vệ tinh và máy thu bị sai, tín hiệu bị trễ

ở tầng điện ly, đường lan truyền của tín hiệu trong khí quyển bị bẻ cong do chiết suất của không khí không đều, … Ảnh hưởng tổng hợp của những nguồn sai số này có thể làm cho các trị đo sai đến hàng trăm km Vì vậy để đòi hỏi độ chính xác định cỡ vài chục mét, những nguồn sai số phải được khắc phục và loại trừ trong xử lý

Hình 3.8 Một số nguồn sai số ảnh hưởng đến độ chính xác GPS

d Các kiểu định vị GPS

Độ chính xác định vị GPS không những chỉ phụ thuộc vào loại trị đo dùng trong xử

lý mà còn phụ thuộc đáng kể vào kiểu định vị

9 Định vị tuyệt đối

Còn được gọi là định vị điểm đơn Trong kiểu này các trị đo được dùng là giả cự ly

Hình 3.9 Kỹ thuật định vị tuyệt đối

Giả sử toạ độ vệ tinh đã biết ( ), véc tỏ từ máy thu đến vệ tinh đo được là , thì toạ độ của máy thu ( ) có thể xác định được Tuy nhiên trong thực tế chúng ta không đo được mà chỉ đo được khoảng cách r Do đó cần ít nhất 3 vệ tinh khác nhau mới giải ra được toạ độ máy thu Ngoài ra do đồng hồ của máy thu luôn có sai số nên phát sinh thêm một ẩn số nữa và do vậy cần có từ 4 vệ tinh trở lên

Trị đo giả cự ly chứa nhiều sai số dẫn đến toạ độ của máy thu có thể sai từ vài mét đến vài chục mét

9 Định vị tương đối

Hầu hết các nguồn sai số trong trị đo khoảng cách có thể được khủ hoặc giảm đi đáng kể trong trị đo hiệu giữa hai máy thu và/ hoặc hai vệ tinh Tuy nhiên để làm điều đó cần phải có ít nhất hai máy thu đồng thời quan trắc một số lượng vệ tinh chung Kết quả

xử lý cho ta hiệu tọa độ giữa hai điểm đặt máy thu (còn gọi là baseline vector)

Hình 3.10 Kỹ thuật định vị tương đối