Thu thập và phân tích dữ liệu cho hệ thống tàu thuyền trên biển

2G Second Generation Thế hệ thứ hai 3G Third Generation Thế hệ thứ ba A APN Access Point Name Điểm truy cập ASP Active Server Pages Ngôn ngữ Asp.Net AT AT Command Tập lệnh AT B BSS Bas

Trang 1

MẪU BÌA LUẬN VĂN CÓ IN CHỮ NHŨ VÀNG Khổ 210 x 297 mm

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

-

LÊ QUANG HUY

THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG TÀU

THUYỀN TRÊN BIỂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội – Năm 2010

Trang 2

MẪU TRANG PHỤ BÌA LUẬN VĂN

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

-

LÊ QUANG HUY

THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU CHO HỆ THỐNG TÀU THUYỀN

TRÊN BIỂN

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử viễn thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

1 TS LÂM HỒNG THẠCH

Hà Nội – Năm 2010

Trang 3

Lời cam đoan

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình luận văn nào trước đây

Tác giả luận văn

Lê Quang Huy

Trang 4

Mục lục

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS 12

1.1 Tổng quan về GPS 12

1.2 Các thành phần chính của GPS 13

1.4 Cấu trúc tín hiệu GPS 14

1.5 Độ chính xác của GPS 16

1.6 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS 16

1.7 Chuẩn giao thức NMEA 17

1.8 Tính toán vị trí 19

1.9 Khả năng kết hợp của GPS với các công nghệ khác 22

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GSM VÀ DỊCH VỤ VÔ TUYẾN GÓI CHUNG GPRS 23

2.2 Giao diện Radio trong GSM 24

2.3 Kiến trúc mạng GSM 25

2.4 Trạm di động MS-Mobile Station 26

2.5 Các phân hệ của mạng GSM 28

2.6 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS 31

2.6.1 Sơ lược 31

2.6.2 Kiến trúc hệ thống GPRS chung 32

2.6.3 Địa chỉ IP 33

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG 36

3.1 Mô hình hệ thống 36

3.1.1 Thiết bị đầu cuối trên đối tượng 37

3.1.2 Trung tâm giám sát điều khiển 38

Trang 5

Mục lục

3.1.3 Vấn đề bảo mật của hệ thống 38

3.2 Ưu điểm của kết hợp giữa giải pháp GPRS và SMS 40

3.3 Các khối chức năng thực hiện module 41

3.3.1 Sử dụng các hàm API xây dựng Map server .42

3.4 Mạch phần cứng 43

3.4.1 Sơ đồ khối 43

3.4.2 Đơn vị điều khiển trung tâm - Vi điều khiển ATmega 128 44

3.4.3 Các loại cảm biến 47

3.4.4 Khối giao tiếp nối tiếp 47

3.4.5 Một số khối phụ khác 49

3.5 Thiết kế module GPS, GPRS 49

3.5.1 Sơ đồ thiết kế mạch cho 2 module GSM và GPS 51

3.5.2 Sơ đồ thiết kế và mạch in 52

3.5.3 Lập trình điều khiển 53

3.5.4 Kết quả 65

3.6 Thiết kế hệ thống phần mềm 66

3.6.1 Phần mềm Server 67

3.6.2 Các chức năng chính của phần mềm 70

3.6.3 Phần lập trình socket thread nhận dữ liệu gửi về từ module SIM548 70

3.6.4 Xử lý chuỗi thông tin gửi về 70

3.6.5 Thiết kế cơ sở dữ liệu và sơ đồ quan hệ 71

3.6.6 Xử lý tín hiệu và hiển thị vị trí trên Web Portal 72

3.7 Thiết kế hệ thống Web Portal 72

3.7.1 Tổng quan về mô hình MVC 72

3.7.2 Cấu trúc Web Portal 76

3.7.3 Một số kết quả giao diện trang web 80

KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

Trang 6

Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

1,2,3

2G Second Generation Thế hệ thứ hai

3G Third Generation Thế hệ thứ ba

A

APN Access Point Name Điểm truy cập

ASP Active Server Pages Ngôn ngữ Asp.Net

AT AT Command Tập lệnh AT

B

BSS Base Station Subsystem Phân hệ trạm gốc

BSC Base Station Controler Bộ điều khiển trạm gốc

BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc

C

CLR Common Language Runtime Ngôn ngữ lệnh thời gian chạy CLS Common Language Specification Đặc tả ngôn ngữ chung CTS Common Type System Hệ thống kiểu chung

D

DALC Data Access Logic Components Thành phần truy cập dữ liệu DNS Domain Name System Hệ thống tên miền

F

FPT File Transfer Protocol Giao thức truyền tập tin

FCL Framework Class Library Thư viện lớp của Net

G

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói chungGTP GPRS Tunneling Protocol Giao thức đường hầm GPRS DGPS Differential GPS GPS Vi sai

GNSS Global Navigation Satellite System Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu GSV GNSS satellites in view Thông tin các vệ tinh của

Trang 7

GSM Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động toàn

Communication cầu thế hệ thứ 2

SGSN Serving GPRS Support Node Nút hỗ trợ GPRS phục vụ

GGSN Gateway GPRS Support Node Nút mạng hỗ trợ cổng GPRS

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

H

HTTP Hyper Text Transfer Protocol Giao thức truyền tải siêu văn bản

HTML HyperText Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản

HLR Home Location Register Bộ đăng ký định vị thường trú

LAN Local Area Network Mạng máy tính cục bộ

LSN Log Sequence Number Số trình tự tốc độ

LAI Location Area ID Số hiệu nhận dạng vùng định vị

LPC Linear Predictive Coding Mã dự đoán tuyến tính

NSS Network Switching SubSystem Phân hệ chuyển mạch

NMEA National Marine Electronics Hiệp hội điện tử hàng hải quốc

Association gia

Trang 8

O

OMS Operation and Maintenance Phân hệ vận hành và bảo SubSystem dưỡng

P

PTP Point to Point Điểm nối điểm

PCU Packet Control Unit Đơn vị điều khiển gói tin PTT Push to Talk Dịch vụ đàm thoại

R

RSS Radio SubSystem Phân hệ vô tuyến

S

SMS Short Message Service Dịch vụ tin nhắn SMS

SIM Subcriber Indentity Module Module nhận dạng thuê bao

URL Uniform Resource Locator Địa chỉ tài nguyên

UHF Ultra High Frequency Tần số siêu cao

V

VTG Course over ground and ground Quá trình và tốc độ trên mặt speed đất

W

WWW World Wide Web Mạng lưới toàn cầu

WAN Wide Area Network Mạng diện rộng

WAP Wireless Application Protocol Giao thức ứng dụng không

giây WAAS Wide Area Augmentation System Hệ Tăng Vùng Rộng

Trang 9

Danh mục các bảng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Bảng số nhận dạng IMSI và MSISDN của một số nhà cung cấp mạng di động tại VN 27 Bảng 4.1: Ví dụ về cấu trúc một tin nhắn SMS 55

Trang 10

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Tổng quan hệ thống vệ tinh GPS 12

Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống GPS 13

Hình 1.3 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số 16

Hình 1.4 Tính toán vị trí trong hệ thống GPS 19

Hình 2.1 Cấu trúc tế bào trong mạng GSM. 24

Hình 2.2 Kiến trúc mạng GSM 25

Hình 2.3 Trạm di động MS 26

Hình 2.4 Các phân hệ của mạng GSM 28

Hình 2.5 Phân hệ chuyển mạch NSS 29

Hình 2.6 Kiến trúc chung của hệ thống GPRS 32

Hình 2.7 Cấp phát địa chỉ IP tĩnh trong GPRS 34

Hình 2.8 Cấp phát địa chỉ IP động trong GPRS 34

Hình 3.1 Mô hình tổng quát hệ thống 36

Hình 3.2 Mô hình NAT của hệ thống Server 39

Hình 3.3 Các thành phần chức năng hệ thống 41

Hình 3.4 Các trang web nhúng bản đồ 42

Hình 4.1- Sơ đồ khối phần cứng 44

Hình 4.2 Hình ảnh thực tế của vi điều khiển ATMEGA128 45

Hình 4.3 Các thành phần của ATMEGA128 46

Hình 4.4 Mức điện áp trong tiêu chuẩn RS-232 48

Hình 4.5 Sơ đồ đầu nối cổng truyền thông nối tiếp (COM) 49

Hình 4.6 Module Sim548 50

Hình 4.7 Sơ đồ thiết kế module 51

Hình 4.8 Module Sim548 51

Hình 4.9 Sơ đồ mạch thiết kề mạch 52

Hình 4.12 Khởi tạo cấu hình mặc định cho module 57

Trang 11

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 4.13 Truyền nhận thông báo về tình trạng GPRS 61

Hình 4.14 Thiết lập các kết nối 62

Hình 4.15 Truyền nhận gói tin 63

Hinh 4.16 Hủy kết nối 64

Hình 4.17 Mạch module phần cứng 65

Hình 4.18 Phần mềm server kết nối với module. 66

Hình 5.1 Mô hình kết nối phần mềm 66

Hình 5.2 Giao diện người dùng (Phần TCP connect) 67

Hình 5.3 Giao diện người dùng (Phần cơ sở dữ liệu) 68

Hình 5.4 Sơ đồ quan hệ cơ sở dữ liệu SQL Server 71

Hình 5.5 Mô hình ứng dụng MVC 73

Hình 5.5 Cách sắp xếp Layer trong ASP sử dụng MVC 74

Hình 5.4 Tương tác của các Layer MVC với nhau 75

Hình 5.5 Cấu trúc trang Web Portal khi người đăng nhập là khách hàng 76

Hình 5.6 Cấu trúc trang Web Portal khi người đăng nhập là quản trị 77

Hình 5.7 UseCases mô tả cấu trúc tổng quan web portal 78

Hình 5.8 Cấu trúc trang Web Portal khi người đăng nhập là khách hàng 79

Hình 5.9 UseCases mô tả quyền Admin 79

Hình 5.10 UseCases mô tả quyền quản trị user của Admin 79

Hình 5.11 UseCases mô tả quyền quản trị thiết bị tàu thuyền của Admin 80

Hình 5.11 Trang đăng nhập khách hàng 80

Hình 5.12 Trang thông tin tài khoản khách hàng 81

Hình 5.13 Trang danh sách khách hàng 81

Hình 5.14 Chức năng hiển thị vị trí phương tiện trên bản đồ 82

Hình 5.15 Chức năng hiển thị đường đi của phương tiện 83

Hình 5.16 Chức năng tìm đường đi của phương tiện 83

Trang 12

Chương 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

PHẦN MỞ ĐẦU

Hiện nay, các hệ thống định vị đã trở thành một khái niệm hết sức quen thuộc đối với nhận thức của xã hội Những ứng dụng của các hệ thống này hết sức rộng rãi và phổ biến Các ứng dụng có chức năng đa dạng, phục vụ tùy theo nhu cầu người sử dụng, tùy theo nhu cầu về công nghệ Dựa trên nền tảng đó thì người ta đặt

ra những bài toán về quản lý và giám sát những phương tiện với một số lượng lớn như tàu thuyền, giao thông

Cùng với những nhu cầu luôn đặt ra cho những người cung cấp giải pháp là sự tiến bộ không ngừng của công nghệ Việc truyền tải thông tin trong thời đại hiện nay tương đối là dễ dàng Các dịch vụ thông tin di động phát triển khá ổn định và vùng phủ sóng rộng rãi làm cho việc liên lạc và trao đổi thông tin khá dễ dàng Một ý tưởng được đề xuất là xây dựng một hệ thống quản lý và giám sát các thiết bị GPS qua một giao diện Web thống nhất Ở đó những người sở hữu những thiết bị GPS có thể dễ dàng quản trị và có những tính năng hữu ích để quản lý từ xa phương tiện của mình ở bất kỳ nơi đâu miễn là có Internet Đối với các nhà cung cấp dịch vụ thì có thể tích hợp được những dịch vụ như trên vào hệ thống Web

Portal có sẵn của mình Chính vì vậy em đã chọn đồ án “Thu thập và phân tích dữ liệu cho hệ thống định vị của tàu thuyền trên biển”

Trong đồ án này tác giả ngoài việc xây dựng hệ thống đầu cuối và phần mềm

để xác định tín hiệu GPS thì phần nhiệm vụ chính của đồ án là thực hiện xây dựng một hệ thống web với những tiện ích đi cùng với việc cung cấp hệ thống dịch vụ quản lý cho các tàu thuyền trên biển và các phương tiện khác Do điều kiện hạn chế nên tác giả chi thực hiện xây dựng hệ thống thử nghiệm cho các phương tiện giao thông truyền dữ liệu qua GPRS

Tóm tắt nội dung đồ án gồm 3 Chương như sau:

• Chương 1: Hệ thống định vị toàn cầu GPS

• Chương 2: Giới thiệu về công nghệ GSM và dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS

• Chương 3: Thiết kế hệ thống

Trang 13

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU GPS

1.1 Tổng quan về GPS

Trên danh nghĩa, GPS là một chòm sao gồm 24 vệ tinh đang hoạt động Chòm sao này vốn được xem như là năng lực hoạt động ban đầu (IOC) được hoàn thành vào tháng 7 năm 1993 Tuy nhiên, đến ngày 08 tháng 12 năm 1993 người ta mới chính thức thông báo về tổ chức IOC

Để đảm bảo sự bao phủ liên tục trên toàn thế giới, các vệ tinh GPS được bố trí

để cho bốn vệ tinh được đặt trong mỗi một sáu quỹ đạo bay (Hình 1.1) Với chòm sao hình học này, 4-10 vệ tinh GPS sẽ được hiển thị ở bất cứ đâu trên thế giới, nếu một góc có cao độ 10 ° được xem xét Sau này chúng ta sẽ biết rõ hơn là chỉ cần có bốn vệ tinh là đủ để cung cấp thông tin về vị trí hoặc địa điểm

Vệ tinh GPS có quỹ đạo gần tròn (một hình elip với tâm sai tối đa là khoảng 0,01), với độ nghiêng khoảng 55 ° so với xích đạo Bán trục lớn của một quỹ đạo GPS dài khoảng 26.560 km (tức là các vệ tinh cách mặt đất khoảng 20.200 km) Chu kỳ quay tương ứng là khoảng 12 giờ thiên văn (~11 giờ, 58 phút) Hệ thống GPS đã chính thức được tuyên bố đã đạt được khả năng hoạt động đầy đủ vào ngày

17 tháng Bảy năm 1995, đảm bảo sự sẵn có của ít nhất 24 vệ tinh GPS hoạt động không qua thử nghiệm Trong thực tế, như được trình bày tại mục 1.4, kể từ khi GPS đạt được khả năng hoạt động đầy đủ của nó, số lượng vệ tinh trong chòm sao GPS luôn là hơn 24 vệ tinh hoạt động

Hình 1.1 Tổng quan hệ thống vệ tinh GPS

Trang 14

1.2 Các thành phần chính của GPS

Hệ thống định vị toàn cầu bao gồm 3 bộ phận: bộ phận người sử dụng, bộ phận không gian và bộ phận điều khiển (Hình 1.2) Bộ phận không gian gồm một chòm sao có 24 vệ tinh như đã giới thiệu ở mục trước Mỗi vệ tinh GPS truyền một tín hiệu có chứa các thành phần sau: hai sóng hình sin (thường được hiểu là tần số mang), hai mã số, và một tín hiệu dẫn đường Mã và tín hiệu dẫn đường được thêm vào bộ phận tải như sự điều biến hai giai đoạn nhị phân Bộ phận tải và những mã này được dùng chủ yếu để xác định khoảng cách từ máy thu của người sử dụng đến các vệ tinh GPS

Hình 1.2 Các thành phần của hệ thống GPS

Cùng với những thông tin khác, tín hiệu dẫn đường còn chứa cả thông tin về tọa

độ (vị trí) của vệ tinh theo thời gian Tín hiệu truyền đi được kiểm soát bởi những đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao được cài trong các vệ tinh

Bộ phận điều khiển của hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm một mạng lưới các trạm theo dõi hoạt động của vệ tinh rộng khắp với 1 trạm kiểm soát trung tâm (MCS) được đặt ở Colorado Springs, Colorado Mỹ Nhiệm vụ chính của bộ phận điều khiển hoạt động là theo dõi các vệ tinh GPS để xác định và dự đoán vị trí vệ tinh, tính nguyên hệ thống, trạng thái của các đồng hồ nguyên tử vệ tinh, các dữ liệu

Trang 15

về khí quyển, niên giám vệ tinh và các vấn đề khác Thông tin này sau đó được tập hợp lại và được tải lên các vệ tinh GPS qua kết nối dải S

Bộ phận người sử dụng bao gồm người sử dụng quân sự và dân sự Với một máy thu GPS được kết nối với ăng-ten GPS, một người sử dụng có thể nhận được tín hiệu GPS cái được dùng để xác định vị trí của người đó ở bất cứ nơi nào trên Trái Đất Hiện tại, GPS có hiệu lực với tất cả người trên toàn thế giới mà không mất khoản phí trực tiếp nào

1.3 Nguyên lý hoạt động

Các vệ tinh GPS bay vòng quanh trái đất hai lần trong một ngày theo một quỹ đạo rất chính xác và phát tín hiệu có thông tin xuống trái đất Các máy thu GPS nhận thông tin này và bằng phép tính lượng giác tính được chính xác vị trí của người dùng Về bản chất máy thu GPS so sánh thời gian tín hiệu được phát đi từ vệ tinh với thời gian nhận được chúng Sai lệch về thời gian cho biết máy thu GPS ở cách vệ tinh bao xa Máy thu GPS phải khoá được với tín hiệu của ít nhất ba quả vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (2D, kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Với bốn hay nhiều hơn số quả vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (3D, kinh độ, vĩ độ và độ cao) Một khi vị trí người dùng đã tính được thì máy thu GPS có thể tính các thông tin khác, như tốc độ, hướng chuyển động, bám sát di chuyển, khoảng hành trình, quãng cách tới điểm đến, thời gian mặt trời mọc, lặn và nhiều thứ khác nữa

1.4 Cấu trúc tín hiệu GPS

Mỗi vệ tinh GPS truyền một tín hiệu sóng vô tuyến cực ngắn gồm có hai tần số mang (hay chính là sóng sin) được điều chỉnh bởi hai mã số và một tín hiệu định vị (xem hình 2,1) Hai tần số mang được tạo ra tại 1,575.42 MHz (được gọi là dải L1)

và 1,227.60 MHz (được gọi là dải L2) Bước sóng của các dải lần lượt là khoảng 19

cm và 24,4 cm Điều này dẫn tới mối liên hệ giữa tần số mang và tốc độ của ánh sáng trong không gian

Tính sẵn có của tần số sóng mạng cho phép sửa chữa một lỗi GPS chính, được gọi là sự chậm trễ tầng điện ly Tất cả các vệ tinh GPS truyền tần số sóng mạng L1

Trang 16

và L2 giống nhau Tuy nhiên, mỗi vệ tinh lại có các mã điều biến khác nhau để giảm thiểu đáng kể sự nhiễu tín hiệu

Hai mã GPS được gọi là mã thu nhận sóng thô (hoặc C / A-code) và mã chính xác (hay P-code) Mỗi mã bao gồm một dòng số nhị phân, các số 0 và 1, được gọi là bit hoặc chip Các mã được thường được gọi là mã PRN vì chúng trông giống các tín hiệu ngẫu nhiên (tức là, chúng có tiếng ồn giống như các tín hiệu) Nhưng trong thực tế, các mã được tạo ra bằng cách sử dụng một thuật toán Hiện nay, mã C / A điều biến chỉ mình sóng mạng L1, trong khi mã P điều biến lên cả hai sóng mạng L1 và L2 Sự điều biến này được gọi là điều biến hai pha, bởi vì pha mang chuyển dịch 180 ° khi giá trị mã thay đổi từ 0 đến 1 hoặc từ 1 về 0

Mã C / A là một dòng 1.023 chữ số nhị phân (tức là, 1.023 số 0 và 1) mà tự nó lặp đi lặp lại mỗi một phần nghìn giây Điều này có nghĩa là tốc độ Chip của mã C /

A là 1,023 Mbps Nói cách khác, khoảng thời gian của 1 bit xấp xỉ 1 ms, hoặc tương đương 300m [4] Mỗi vệ tinh được chỉ định một mã C / A duy nhất, cho phép các máy thu GPS xác định vệ tinh nào đang truyền một mã số riêng Phép đo khoảng cách của mã C / A tương đối thiếu chính xác hơn so với mã P Tuy nhiên, cái này ít phức tạp hơn và có sẵn cho tất cả người dùng

Mã P là một chuỗi rất dài của chữ số nhị phân lặp đi lặp lại chính nó sau 266 ngày Nó cũng nhanh hơn 10 lần so với mã C / A (tức là tốc độ của nó là 10,23 Mbps) Nhân thời gian cần để mã P lặp lại chính nó, 266 ngày, với tốc độ của nó, 10,23 Mbps, cho chúng ta biết mã P là một dòng khoảng 2,35 x 1.014 chip Mã dài

266 ngày được chia thành 38 phân đoạn; mỗi phân đoạn dài 1 tuần Trong số này,

32 phân đoạn được gán cho các vệ tinh GPS khác nhau Nghĩa là, mỗi vệ tinh truyền duy nhất 1 phân đoạn 1 tuần của mã P, được khởi tạo vào nửa đêm các ngày thứ Bảy, Chủ Nhật Sáu phân đoạn còn lại được dành riêng cho sử dụng khác Điều đáng nói ở đây là một vệ tinh GPS thường được xác định bởi phân đoạn 1 tuần duy nhất của mã P của nó Ví dụ, một vệ tinh GPS với một ID của PRN 20 dùng để chỉ một vệ tinh GPS được giao tuần phân khúc thứ 20 của PRN mã P Mã P được thiết

kế chủ yếu cho các mục đích quân sự Mãi cho đến ngày 31 tháng một năm 1994,

nó mới được dành cho tất cả người sử dụng Vào thời điểm đó, mã P đã được mã hóa bằng cách thêm vào nó một mã W ẩn Mã kết quả của mã hóa được gọi là mã

Y, có tốc độ chip bằng mã P Sự mã hóa này được gọi là chống giả mạo (AS)

Trang 17

Hình 1.3 Tín hiệu tương tự và tín hiệu số

Thông báo chuyển hướng GPS là một luồng dữ liệu được gửi đến cả sóng tải L1 và L2 như điều nhị phân 2 pha ở tốc độ thấp 50 kbps Nó bao gồm 25 khung, mỗi khung 1.500 bit, hay là tổng số 37.500 bit Điều này có nghĩa rằng việc truyền tải thông điệp chuyển hướng hoàn chỉnh mất 750 giây, hoặc 12,5 phút Cùng với các thông tin khác, thông báo chuyển hướng còn chứa thông tin về các tọa độ của vệ tinh GPS theo một hàm thời gian, tình trạng sức khỏe vệ tinh, đồng hồ vệ tinh chỉnh, niên lịch vệ tinh, và dữ liệu khí quyển Mỗi vệ tinh truyền thông báo chuyển hướng của mình với các thông tin trên các vệ tinh khác, như địa điểm gần đúng và tình trạng sức khoẻ

1.5 Độ chính xác của GPS

Các máy thu GPS ngày nay khá chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Tình trạng nhất định của khí quyển và các nguồn gây sai

số khác có thể ảnh hưởng tới độ chính xác của máy thu GPS

Các máy thu GPS có độ chính xác trung bình trong vòng 15 mét Các máy thu mới hơn với khả năng WAAS (Hệ Tăng Vùng Rộng, Wide Area Augmentation System)

có thể tăng độ chính xác trung bình tới dưới 3 mét Không cần thêm thiết bị hay mất phí để có được lợi điểm của WAAS

Người dùng cũng có thể có độ chính xác tốt hơn với GPS Vi sai (Differential GPS, DGPS) sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng 3 đến 5 mét Tuy nhiên dịch vụ này lại mất phí

1.6 Nguồn lỗi của tín hiệu GPS

Những điều có thể làm giảm tín hiệu GPS và vì thế ảnh hưởng tới chính xác bao gồm:

Trang 18

• Tính giữ chậm của tầng đối lưu và tầng ion

• Tín hiệu vệ tinh bị chậm đi khi xuyên qua tầng khí quyển

• Tín hiệu đa đường (multi path) – Điều này xảy ra khi tín hiệu phản xạ từ nhà hay các đối tượng khác trước khi tới máy thu, do đó tại máy thu tín hiệu sẽ bị thăng giáng rất mạnh

• Lỗi đồng hồ máy thu – Đồng hồ có trong máy thu không chính xác như đồng

hồ nguyên tử trên các vệ tinh GPS

• Lỗi quỹ đạo – Cũng được biết như lỗi thiên văn, do vệ tinh thông báo vị trí không chính xác

• Số lượng vệ tinh nhìn thấy – Càng nhiều quả vệ tinh được máy thu GPS nhìn thấy thì càng chính xác Nhà cao tầng, địa hình, nhiễu loạn điện tử hoặc đôi khi thậm chí tán lá dầy có thể chặn thu nhận tín hiệu, gây lỗi định vị hoặc không định vị được Nói chung máy thu GPS không làm việc trong nhà, dưới hoặc dưới đất

• Hình học che khuất – điều này liên quan tới vị trí tương đối của các vệ tinh ở thời điểm bất kì Phân bố vệ tinh lí tưởng là khi các quả vệ tinh ở vị trí góc rộng với nhau Phân bố xấu xảy ra khi các quả vệ tinh ở trên một đường thẳng hoặc cụm thành nhóm

1.7 Chuẩn giao thức NMEA

NMEA (hay NMEA 0183) là một chuẩn giao thức cho truyền thông giữa các thiết bị điện tử dùng cho tàu thủy 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 triển bởi Hiệp hội điện tử tàu thủy quốc gia Hoa Kỳ (NMEA) Chuẩn NMEA 0183 sử dụng các ký tự ASCII, giao thức truyền thông nối tiếp quy định cách một “thiết bị gửi” truyền một câu dữ liệu tới “thiết bị nhận” tại một thời điểm

Ở tầng ứng dụng, chuẩn NMEA quy định nội dung các kiểu câu dữ liệu cho phép thiết bị nhận có khả năng phân tích dữ liệu một cách chính xác Các câu dữ liệu đều bắt 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:

Trang 19

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

Các quy tắc giao thức ở tầng ứng dụng:

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

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

Ví dụ với câu dữ liệu GPRMC

Trang 20

Ngoài ra, có rất nhiều loại câu dữ liệu sử dụng cho các thiết bị liên lạc tàu thủy khác nhau, trong đó có đến hàng chục dạng câu được ứng dụng với các bộ thu GPS Hiện nay, chuẩn NMEA 2000 mới ra đời, cho phép truyền câu dữ liệu với tốc độ cao hơn 250.000 bps so với 4.800 bps của chuẩn NMEA 0183

1.8 Tính toán vị trí

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

ánh sáng và t là khoảng thời gian sóng truyền từ vệ tinh tới vật

Hình 1.4 Tính toán vị trí trong hệ thống GPS

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

Trang 21

Vĩ độ (ký hiệu: φ) của một điểm bất kỳ trên mặt trái đất là góc tạo thành giữa đường thẳng đứng (phương của dây dọi, có đỉnh nằm ở tâm hệ tọa độ-chính là trọng tâm của địa cầu) tại điểm đó và mặt phẳng tạo bởi xích đạo Đường tạo bởi các điểm có cùng vĩ độ gọi là vĩ tuyến, và chúng là những đường tròn đồng tâm trên bề mặt trái đất Mỗi cực là 90 độ: cực bắc là 90° B; cực nam là 90° N Vĩ tuyến 0° được chỉ định là đường xích đạo, một đường thẳng tưởng tượng chia địa cầu thành Bán cầu bắc và Bán cầu nam

Kinh độ (ký hiệu: λ) của một điểm trên bề mặt trái đất là góc tạo ra giữa mặt phẳng kinh tuyến đi qua điểm đó và mặt phẳng kinh tuyến gốc Kinh độ có thể là kinh độ đông hoặc tây, có đỉnh tại tâm hệ tọa độ, tạo thành từ một điểm trên bề mặt trái đất và mặt phẳng tạo bởi đường thẳng ngẫu nhiên nối hai cực bắc nam địa lý Những đường thẳng tạo bởi các điểm có cùng kinh độ gọi là kinh tuyến Tất cả các kinh tuyến đều là nửa đường tròn, và không song song với nhau: theo định nghĩa, chúng hội tụ tại hai cực bắc và nam Đường thẳng đi qua Đài Thiên văn Hoàng gia Greenwich (gần London ở Liên hiệp Vương quốc Anh và Bắc Ireland) là đường tham chiếu có kinh độ 0° trên toàn thế giới hay còn gọi là kinh tuyến gốc Kinh tuyến đối cực của Greenwich có kinh độ là 180°T hay 180°Đ

Để xác định hoàn toàn một vị trí nằm trên, ở trong hoặc ở phía trên trái đất, ta cần phải xác định độ cao của điểm, được định nghĩa bằng vị trí của điểm theo chiều thẳng đứng so với trung tâm của hệ thống tham chiếu hoặc một vài định nghĩa bề

Trang 22

mặt trái đất Điều này được mô tả theo thuật ngữ khoảng cách theo chiều thẳng đứng đến trái đất bên dưới, nhưng, do sự nhập nhằng của chữ "bề mặt" và "chiều thẳng đứng", nó thường được mô tả phổ biến hơn bằng cách so sánh với những mốc được định nghĩa chính xác hơn như mặt nước biển trung bình (chính xác hơn nữa là geoid, một mặt có thế năng trọng trường không đổi) Khoảng cách đến trung tâm trái đất có thể được dùng cho cả vị trí rất sâu hoặc một nơi nào đó trên không gian Chiều rộng của một độ kinh độ tại vĩ độ có thể được tính toán bằng công thức sau (để có được chiều rộng theo phút và giây, lần lượt chia cho 60 và 3600):

Trong đó bán kính độ kinh trung bình của Trái đất xấp xỉ bằng 6.367.449 m Do

sử dụng giá trị bán kính trung bình, công thức này dĩ nhiên không chính xác do độ dẹt của Trái đất Bạn có thể có được độ rộng thực của một độ kinh độ tại vĩ độ bằng:

trong đó a,b là các bán kính xích đạo và cực của Trái đất

Từ trước đến nay, độ được chia thành phút (1 phần 60 độ, ký hiệu là ′ hoặc

"m") và giây (1 phần 60 phút, ký hiệu là ″ hoặc "s") Có nhiều các viết độ, tất cả chúng đều xuất hiện theo cùng thứ tự Vĩ độ - Kinh độ:

DMS Độ:Phút:Giây (49°30'00"-123d30m00s)

DM Độ:Phút (49°30.0'-123d30.0m)

DD Độ thập phân (49.5000°-123.5000d), thường với 4 số thập phân

Để chuyển từ DM hoặc DMS sang DD, độ thập phân = số độ cộng với số phút chia cho 60, cộng với số giây chia cho 3600 DMS là định dạng phổ biến nhất, và là tiêu chuẩn trên tất cả các biểu đồ và bản đồ, cũng như hệ định vị toàn cầu và hệ thông tin địa lý

Trên mặt cầu tại mực nước biển, một giây vĩ độ bằng 30.82 mét và một phút vĩ

độ bằng 1849 mét Các vĩ tuyến cách nhau 110,9 kilômét Các kinh tuyến gặp nhau

tại cực địa lý, với độ rộng một giây về phía đông-tây phụ thuộc vào vĩ độ Trên bề

mặt cầu tại mực nước biển, một giây kinh độ bằng 30,92 mét trên xích đạo, 26,76

Trang 23

mét trên vĩ tuyến thứ 30, 19,22 mét tại Greenwich (51° 28' 38" B) và 15,42 mét trên

Thời Pháp: Ellipsoid Clark, điểm gốc tại Hà Nội phép chiếu Bonne

Miền nam: Trước 1975 hệ Indian-54 với ellipsoid Everest, điểm gốc tại Ấn Độ, phép chiếu UTM

Miền bắc: Hệ HN-72 với ellipsoid Krasovski, điểm gốc tại Punkovo (Nga) chuyền

về Việt Nam tại đài thiên văn Láng Hà Nội (thông qua điểm Ngũ Lĩnh - Trung Quốc), phép chiếu Gauss- Kruger

Hệ VN-2000 với ellipsoid WGS-84 được định vị phù hợp với lãnh thổ Việt Nam, phép chiếu UTM

Về cơ bản hệ VN-2000 và WGS-84 là tương tự, tuy nhiên do định vị khác nhau nên khác nhau về giá trị toạ độ cụ thể Thiết bị GPS sử dụng hệ toạ độ quốc tế WGS-84 nếu không có các hiệu chỉnh toạ độ sẽ không khớp với toạ độ tại nước ta Elipxoit WGS84, được tất cả các thiết bị của GPS sử dụng, lấy các giá trị cho bán kính xích đạo là 6.378.137,0 m và độ dẹt nghịch đảo, (1/f) bằng 298,257223563, vì thế bán kính cực của nó bằng 6.356.752,3142 m và bình phương độ lệch tâm thứ nhất của nó bằng 0,00669437999014

1.9 Khả năng kết hợp của GPS với các công nghệ khác

Hệ thống định vị toàn cầu GPS là một hệ thống được sử dụng miễn phí với rất nhiều tính năng phong phú, đa dạng Có rất nhiều cách kết hợp GPS với các công nghệ khác để tạo ra các sản phẩm phục vụ nhu cầu của con người như hệ thống bộ đàm, module 3G, module GSM, module GPRS… Các cách kết hợp trên đã và đang được triển khai trong thực tế Trong khuôn khổ của đồ án này Em chỉ trình bày phương pháp kết hợp GPS với module GSM/GPRS trong giám sát và quản lý phương tiện giao thông tại Việt Nam

Trang 24

Chương 2: Giới thiệu công nghệ GSM và GPRS

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ GSM VÀ

DỊCH VỤ VÔ TUYẾN GÓI CHUNG GPRS

Hệ thống thông tin di động toàn cầu (Global System for Mobile Communications, viết tắt GSM) là một công nghệ dùng cho mạng thông tin di động Dịch vụ GSM được sử dụng bởi hơn 2 tỷ người trên 212 quốc gia và vùng lãnh thổ Các mạng thông tin di động GSM cho phép có thể roaming với nhau do đó những máy điện thoại di động GSM của các mạng GSM khác nhau ở có thể sử dụng được nhiều nơi trên thế giới

2.1 Tổng quan về công nghệ GSM

GSM là chuẩn phổ biến nhất cho điện thoại di động (ĐTDĐ) trên thế giới Khả năng phú sóng rộng khắp nơi của chuẩn GSM làm cho nó trở nên phổ biến trên thế giới, cho phép người sử dụng có thể sử dụng ĐTDĐ của họ ở nhiều vùng trên thế giới GSM khác với các chuẩn tiền thân của nó về cả tín hiệu và tốc độ, chất lượng cuộc gọi Nó được xem như là một hệ thống ĐTDĐ thế hệ thứ hai (second generation, 2G) GSM là một chuẩn mở, hiện tại nó được phát triển bởi 3rd Generation Partnership Project (3GPP) Đứng về phía quan điểm khách hàng, lợi thế chính của GSM là chất lượng cuộc gọi tốt hơn, giá thành thấp và dịch vụ tin nhắn Thuận lợi đối với nhà điều hành mạng là khả năng triển khai thiết bị từ nhiều người cung ứng GSM cho phép nhà điều hành mạng có thể sẵn sàng dịch vụ ở khắp nơi, vì thế người sử dụng có thể sử dụng điện thoại của họ ở khắp nơi trên thế giới Công nghệ di động GPRS, Chuyển mạch gói chung (General Packet Radio Service) là công nghệ trung gian cho bước phát triển từ 2G (điển hình là hệ thống GSM) lên 3G (điển hình là CDMA)

Công nghệ 2G - GSM cũ dùng chuyển mạch kênh theo thời gian, với GPRS vẫn dựa trên tài nguyên có sẵn chỉ khác dùng chuyển mạch gói Thay vì phân kênh

cố định cho người dùng, dữ liệu của người dùng được chia thành các gói dũ liệu nhỏ và truyền đi Điều này cho phép nâng cao hiệu suất sử dụng đường truyền, nhằm mở rộng thêm các tiện ích băng thông rộng đến người dùng

Trang 25

Công nghệ 2G, sử dụng phân kênh thời gian cho phép truyền lưu lượng nhiều hơn trên 1 kênh, nhưng chưa đáp ứng đủ nhu cầu của người dùng Người dùng mong muốn nhiều hơn nữa các dịch vụ tiện ích: tin nhắn hình, âm thanh, file, truy cập internet, xem truyền hình trên di động Điều này đòi hỏi băng thông đường truyền rộng, chỉ đáp ứng được nếu chuyển sang mạng 3G-CDMA Tuy vậy, với hạ tầng sẵn có đa phần là phục vụ hệ GSM, thì quá lãng phí nếu chuyển toàn bộ sang CDMA và bỏ mất hạ tầng đó Vấn đề trung gian được đưa ra, là dùng GPRS

2.2 Giao diện Radio trong GSM

GSM là mạng điện thoại di động thiết kế gồm nhiều tế bào do đó các máy điện thoại di động kết nối với mạng bằng cách tìm kiếm các cell gần nó nhất Các tế bào

là đơn vị cơ sở của mạng, tại đó trạm di động MS trao đổi thông tin với mạng qua trạm thu phát gốc BTS Các cell nhỏ được thiết kế ở những nơi có mật độ thuê bao cao như những vùng thành thị đông dân cư Ngược lại, các cell lớn được thiết kế ở những nơi có mật độ thuê bao thấp như vùng nông thôn Do tài nguyên tần số là giới hạn nên trong mạng GSM nhất thiết phải sử dụng lại tần số, các cell cùng tên được cấp phát cùng một nhóm tần số vô tuyến Một cụm có kích cỡ N cell được được lặp lại tại các vị trí địa lý khác nhau trong toàn bộ vùng phủ sóng Có 3 mẫu

sử dụng lại tần số là 3/9, 4/12 và 7/21

Hình 2.1 Cấu trúc tế bào trong mạng GSM

Trang 26

Các mạng di động GSM hoạt động trên 4 băng tần Hầu hết thì hoạt động ở băng 900 MHz và 1800 MHz Vài nước ở Châu Mỹ thì sử dụng băng 850 MHz và

1900 MHz do băng 900 MHz và 1800 MHz ở nơi này đã bị sử dụng trước

Các mạng sử dụng băng tần 900 MHz thì đường uplink sử dụng tần số trong dải 890-915 MHz và đường downlink sử dụng tần số trong dải 935-960 MHz Các băng tần này được chia thành 124 kênh với độ rộng băng thông 25 MHz, mỗi kênh cách nhau một khoảng 200 KHz Sử dụng công nghệ phân chia theo thời gian TDM (Time Division Multiplexing) để chia ra 8 kênh full rate hay 16 kênh haft rate Có 8 khe thời gian gộp lại gọi là một khung TDMA Tốc độ truyền dữ liệu của một kênh

là 270.833 kbit/s và khoảng thời gian của một khung là 4.615 m Công suất phát của máy điện thoại được giới hạn tối đa là 2W đối với băng GSM 850/900 MHz và tối

đa là 1W đối với băng GSM 1800/1900 MHz

Mạng GSM sử dụng 2 kiểu mã hoá âm thanh để nén tín hiệu âm thanh 3,1 KHz

đó là mã hoá 6 và 13 kbps gọi là full rate (13 kbps) và haft rate (6 kbps) Để nén họ

sử dụng hệ thống có tên là Linear Predictive Coding (LPC)

2.3 Kiến trúc mạng GSM

Hình 2.2 Kiến trúc mạng GSM

Trang 27

Mạng GSM được chia thành các phần như sau:

• Phân hệ chuyển mạch NSS: Network Switching SubSystem

• Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS: Radio SubSystem

• Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS: Operation and Maintenance SubSystem

2.4 Trạm di động MS-Mobile Station

Hình 2.3 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 gắn liền với một số nhận dạng thiết bị di động (IMEI - International Mobile Equipment Identity) duy nhất do nhà sản xuất đăng ký

SIM: Subcriber Indentity Module

Mô-đun 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

Trang 28

• Khóa nhận thực Ki.

• Khóa mật mã Kc.

• Số hiệu nhận dạng vùng định vị LAI (Location Area ID)

Danh sách các tần số lân cận

Số nhận dạng IMSI: International Mobile Subscriber Identity – Số nhận dạng MS

bởi hệ thống, phục vụ báo hiệu và điều khiển

IMSI

Số nhận dạng MSISDN: Mobile Station ISDN Code – Mã số danh bạ, được nhận

dạng bởi thuê bao, phục vụ quá trình thiết lập cuộc gọi

Country Code (CC) National Destination Code

452

Việt Nam

02 VinaPhone N/A

452

Việt Nam

04 Viettel N/A MSISDN

Trang 29

84

Việt Nam

90 MobiFone N/A

84

Việt Nam

91 VinaPhone N/A

84

Việt Nam

98 Viettel N/A MSISDN

Số nhận dạng thuê bao tạm thời TMSI: Temporary Mobile Subscriber Identity –

Số nhận dạng thuê bao tạm thời, có cấu trúc tối đa là 32 bit TMSI được bộ ghi định

vị VLR cấp phát cho MS, cho phép nhận dạng duy nhất 1 MS trong vùng điều khiển của một VLR

Trang 30

• 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

Trang 31

• 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 các thuê bao và tạo ra bộ ba tham số nhận thực: RAND, Kc, SRES khi HLR yêu cầu để tiến 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

• Danh sách xám: ME lỗi hoặc không đáp ứng các tiêu chuẩn GSM hiện tại

c) Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMS

Các thành phần của phân hệ NSS và BSS (BSC, BTS, TRAU) được điều hành, theo dõi và bảo dưỡng tập trung thông qua phân hệ OMS OMS có thể bao gồm 1 hoặc nhiều trung tâm bảo dưỡng OMC – Operation & Maintenance Center

Trung tâm bảo dưỡng OMC có các thiết bị đầu cuối vận hành và bảo dưỡng OMT (Operation and Maintenance Terminal) cho phép thao tác các lệnh can thiệp tới hệ thống và các OMT này kết nối thông qua mạng cục bộ LAN

Trang 32

• OMC-S (Switching): quản lý phân hệ NSS

• OMC-R (radio): quản lý phân hệ BSS

2.6 Dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS

EDGE (Enhanced Data Rates for GSM Evolution), đôi khi còn gọi là Enhanced GPRS (EGPRS), là một công nghệ di động được nâng cấp từ GPRS cho phép truyền dữ liệu với tốc độ có thể lên đến 384 kbit/s cho người dùng cố định hoặc di chuyển chậm và 144kbit/s cho người dùng di chuyển tốc độ cao Trên đường tiến đến 3G, EDGE được biết đến như một công nghệ 2.75G Thực tế bên cạnh điều chế GMSK, EDGE dùng phương thức điều chế 8-PSK để tăng tốc độ dữ liệu truyền Chính vì thế, để triển khai EDGE, các nhà cung cấp mạng phải thay đổi trạm phát sóng BTS cũng như là thiết bị di động so với mạng GPRS

EDGE cung cấp cho chúng ta một dung lượng dữ liệu gấp 3 lần GPRS Khi sử dụng EDGE nhà điều hành có thể quản lý được hơn gấp 3 lần số thuê bao đối với GPRS, và gấp 3 lần giá trị dữ liệu trên một thuê bao, thêm một dung lượng đáng kể cho truyền thông thoại EDGE sử dụng cấu trúc khung dữ liệu, kênh lô-gic,và băng thông sóng mang 200kHz giống như TDMA (Xử-lý-nhân-chia-thời-gian) dùng trong mạng GSM hiện nay, cho phép nó phủ sóng trực tiếp trên nền GSM hiện có Đối với một số mạng GSM/GPRS hiện nay, EDGE thực chất chỉ là một sự nâng cấp phần mềm EDGE cho phép truyền tải các dịch vụ di động tiên tiến như tải video, clip nhạc, tin nhắn đa phương tiện hoàn hảo, truy cập interrnet, e-mail di động tốc

độ cao

Trang 33

2.6.2 Kiến trúc hệ thống GPRS chung

Hình 2.6 Kiến trúc chung của hệ thống GPRS

GPRS không phải là một mạng hoàn toàn tách biệt với GSM Nhiều thiết bị như trạm thu phát gốc (BTS), bộ điều khiển trạm thu phát gốc (BSC) vẫn được sử dụng Việc triển khai dịch vụ GPRS thường là nâng cấp về phần mềm, phần cứng hoặc cả hai Việc nâng cấp phần mềm hầu như có thể được thực hiện từ xa

Có hai thành phần chức năng quan trong trong hoạt động của GPRS: Serving GPRS Support Node – SGSN và Gateway GPRS Support Node – GGSN Hai thành phần này là những thay đổi lớn nhất và hoàn toàn mới so với mạng GSM Dịch vụ

dữ liệu GPRS hoạt động song song với dịch vụ thoại trên GSM Trong mạng GSM thường có nhiều trạm điều khiển trạm thu phát gốc (BSC) Khi triển khai dịch vụ GPRS, tại các trạm BSC được bổ sung các bộ đơn vị điều khiển gói tin PCU – Packet Control Unit Bộ phận này sẽ phân biệt dữ liệu của mạng GSM chuẩn (hay chuyển mạch kênh) và dữ liệu của dịch vụ GPRS ( hay chuyển mạch gói) Trong vài trường hợp, PCU có thể là các bộ phận riêng biệt

SGSN

Nút hỗ trợ dịch vụ GPRS (SGSN) đảm nhận các tác nhiệm quan trọng, bao gồm định tuyến (routing), chuyển giao và cấp phát địa chỉ IP

Trang 34

SGSN có một kết nối logic tới các thiết bị GPRS Khi thiết bị đang sử dụng dịch vụ GPRS di chuyển, từ ô tế bào này sang ô tế bào khác, SGSN có nhiệm vụ đảm bảo kết nối của thiết bị di động tới mạng không bị ngắt Khi thiết bị di chuyển vào một vùng mạng được điều khiển bởi một SGSN khác, nó sẽ thực hiện chuyển giao cho SGSN mới Quá trình này được thực hiện rất nhanh Bất kỳ gói dữ liệu nào

bị mất trong quá trình chuyển giao này cũng sẽ được truyền lại

SGSN chuyển đổi dữ liệu di động thành IP và được kết nối với GGSN qua giao thức đường hầm ( tunneling protocol)

Kết nối giữa SGSN và GGSN

Kết nối giữa hai nút hỗ trợ GPRS sử dụng giao thức gọi là GPRS Tunneling Protocol (GTP) GTP nằm trên TCP/IP và có trách nhiệm thu thập các thông tin tính cước và dàn xếp Trong thực tế hai khối GSN có thể nằm cùng trong một khối đơn HLR – Home Location Register

Bộ đăng ký định vị thường trú (HLR) là một cơ sở dữ liệu chứa các thông tin thuê bao, khi một thiết bị di động kết nối tới mạng sử dụng số nhận dạng MSISDN, trạng thái của thuê bao, hay đôi khi là địa chỉ IP

Trang 35

Các lớp thiết bị GPRS

Có 3 lớp khác nhau của thiết bị GPRS

a) Lớp A

Trang 36

Các thiết bị đầu cuối lớp A có hai bộ thu phát, cho phép gửi/nhận dữ liệu thoại

Dịch vụ GPRS trên nền GSM cung cấp các dịch vụ mới:

• Dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS – Multimedia messaging service)

• Dịch vụ đàm thoại Push to Talk (PTT)

• Các ứng dụng internet trên thiết bị thông minh, qua giao thức ứng dụng không giây (WAP – Wireless Application Protocol)

• Dịch vụ Point to Point (PTP): liên mạng với mạng internet (giao thức IP) GPRS cho phép tăng hiệu quả sử dụng đường truyền và tốc độ truyền dữ liệu Khi sử dụng dịch vụ nhắn tin ngắn SMS bằng GPRS có thể đạt được tốc độ truyền tin 30 bản tin / phút, trong khi với dịch vụ SMS truyền thống trên GSM, tốc độ chỉ đạt được từ 6-10 bản tin / phút

Trang 37

• Thiết bị đầu cuối trên phương tiện

• Trung tâm giám sát điều khiển

Trong đó hệ thống có những tính năng chính như sau:

- GPS module luôn cập nhật thông tin vị trí, trạng thái đối tượng

- GSM module truyền thông tin trên về trung tâm giám sát

- Tại trung tâm: thông tin nhận được sẽ được đưa lên máy tính với tính năng:

• Xác định trạng thái đối tượng (kinh độ, vĩ độ, tốc độ)

• Đưa vị trí lên bản đồ số

• Vẽ đường đi của đối tượng

• Gửi lệnh điều khiển module phía đối tượng

Đối tượng cần xác định vị trí sẽ được gắn module GPS có chức năng hiển thị tọa độ vị trí của đối tượng Người ngồi trên xe hay tàu thuyền có thể xem được các thông tin như vị trí (kinh độ, vĩ độ), vận tốc, nhiệt độ môi trường, thời gian hiện tại hiển thị trên LCD Module GPS được gắn với Module GSM thông qua vi điều khiển ATMEGA128 để gửi về trạm điều hành thông qua mạng tin nhắn SMS và qua hệ thống GPRS

Trạm điều hành là một máy tính có kết nối mạng internet mà IP của máy tính

ấy đã được mở Port để có thể NAT địa chỉ IP ra ngoài mạng nhằm thực hiện kết nối TCP/IP qua socket, máy tính phải cài phần mềm Server Các lệnh mà trạm điều

Trang 38

Chương 3: Thiết kế hệ thống

hành yêu cầu sẽ được thực hiện bằng tập lệnh AT mà ta nhập cho module GSM Nhờ các lệnh AT và thông qua hệ thống GPRS mà trạm điều hành có thể giám sát

Hệ thống có các tính năng chính như sau:

• Có khả năng giám sát các phương tiện: quan sát được các phương tiện, xác định vị trí các phương tiện trên bản đồ số

• Quản lý các phương tiên: bao gồm chức năng quy hoạch các phương tiện, theo dõi thông tin trạng thái

• Điều khiển các phương tiện: không chỉ nhận dữ liệu từ các phương tiện mà phần mềm còn có chức năng giao tiếp 2 chiều với thiết bị phần cứng, có khả năng đưa ra các lệnh điều khiển phương tiện

3.1.1 Thiết bị đầu cuối trên đối tượng

Thiết bị đầu cuối được gắn trên phương tiện di chuyển, có nhiệm vụ thu tín hiệu từ vệ tinh GPS trong không gian, tính toán tọa độ không gian và các thông tin khác, sau đó chuyển đến khối vi điều khiển để tách, lọc và chuyển về trung tâm điều khiển thông qua GSM/GPRS nhờ module Sim548

Cấu trúc của thiết bị đầu cuối:

Mô-đun GPS/GSM/GPRS model SIM548CZ (cùng với ăng-ten GSM và GPS), tương thích GSM phase 2/2+, hỗ trợ 4 băng tần GSM 50/900/1800/1900MHz GPRS lớp B, hỗ trợ dịch vụ GPRS lớp 8/10 (tốc độ hướng downlink đạt tối đa 85.6kbps), hỗ trợ các chế độ tin nhắn MT, MO, CB, Text, và PDU Bộ thu GPS sử dụng chipset SiRFstar III, bộ vi xử lý loại ARM7/TDMI

SIM548CZ là GSM Module có các chức năng cơ bản như: nhận và gửi tin

nhắn (SMS), nghe và gọi điện, truyền và nhận dữ liệu GPRS, Dữ liệu và mã lệnh điều khiển được trao đổi giữa máy tính, vi điều khiển và GSM Mobile thông qua cổng serial UART GSM Module được điều khiển bằng các tập lệnh AT (AT

command) Có rất nhiều nhóm lệnh AT: Call Control, Data Card Control, Phone Control, Computer Data Card Control, Reporting Operation, Network,

Communication Parameter, Miscellaneous, và Short Message Service (SMS)

Bo mạch chính, trên đó có một khối vi điều khiển (MCU) tiếp nhận dữ liệu GPS từ khối GPS trên mô-đun SIM548CZ, tách lọc và gửi tới khối GSM để truyền

Trang 39

Chương 3: Thiết kế hệ thống

về trung tâm điều khiển thông qua dịch vụ tin nhắn (SMS), đồng thời MCU cũng đảm nhiệm xử lý các thông tin điều khiển từ trung tâm gửi tới và đáp ứng

3.1.2 Trung tâm giám sát điều khiển

Trung tâm giám sát và điều khiển có nhiệm vụ nhận dữ liệu gửi về qua internet thông qua dịch vụ vô tuyến gói chung GPRS Dữ liệu ở đây là một chuỗi bao gồm các thông tin như mã phương tiện, kinh độ, vĩ độ, vận tốc Sau đó dữ liệu được xử

lý, lưu trữ và hiển thị vị trí đối tượng trên bản đồ Dữ liệu sẽ được cập nhật liên tục

và được lưu trữ trên database bằng phần mềm Microsoft SQL Server 2005 Sau đó

dữ liệu nhận được sẽ được đẩy lên một trang web do em tự thiết kế, trang web này

có các chức năng cần thiết cho việc quản lý đối tượng, có tích hợp bản đồ số để hiển thị đối tượng trên bản đồ, có cơ sở dữ liệu để lưu trữ thông tin của các phương tiện,

có các chức năng mở rộng như tìm kiếm theo kinh độ, vĩ độ, tìm kiếm theo hai địa điểm khác nhau… Từ đó trung tâm giám sát có thể điều khiển được đối tượng theo mong muốn

Cấu trúc của trung tâm dữ liệu và điều khiển: Gồm 1 máy tính có nối mạng internet đã được mở port sẵn (để có thể NAT địa chỉ IP ra ngoài mạng nhằm thực hiện kết nối TCP/IP qua socket) Máy tính được cài đặt phần mềm Server viết bằng C# có chức năng nhận, quản lý dữ liệu và thực hiện điều khiển đối tượng Ngoài ra máy tính còn phải được cài Window Server 2003 có chức năng như là một máy chủ

để quản lý trang web hiển thị và quản lý đối tượng

Trên lý thuyết mức độ hỗ trợ của server có thể lên đến hàng chục user một lúc Tuy nhiên trong điều kiện đồ án này, nhóm chưa thực nghiệm được cụ thể, hiện mới chỉ thử nghiệm với 2-3 user và hệ thống hoàn toàn đáp ứng

Để có thể duy trì hệ thống thì cần có kế hoạch trong việc truyền và nhận dữ liệu Đặt các cơ chế cập nhật thời gian một cách chính xác và tiết kiệm Hiến nay các user được cập nhật trong chu kỳ 2 giây

Tốc độ truyền nhận dữ liệu giữa các module và server là khá nhanh, đạt mức 20kilo bit trên giây

3.1.3 Vấn đề bảo mật của hệ thống

Có thể hình dụng GPRS như một mạng LAN sử dụng đường truyền vô tuyến thay cho đường truyền bằng cáp mạng Mọi kết nối với mạng internet bên ngoài đều

Trang 40

Hình 3.2 Mô hình NAT của hệ thống Server

Như vậy, GPRS server không thể phân biệt được module nào vừa thực hiện kết nối với GPRS server nếu chỉ dựa vào địa chỉ IP Muốn làm được điều đó, thì sau khi thực hiện được liên kết, module user phải gửi các gói dữ liệu cung cấp thông tin về module đó cho server Khi xây dựng hệ thống, để phân biệt được thông tin nhận được từ module nào gửi đến, phải qui định cho mỗi module một “ID”, chẳng hạn như biển số xe mà module đó đang được gắn lên Công việc này đồng nghĩa với việc ta đang xây dựng một lớp ứng dụng dựa trên lớp TCP Qui trình cung cấp thông tin về module cho GPRS server tương tự như một qui trình “đăng nhập” thường thấy trong các ứng dụng liên quan đến mạng internet

Tuy nhiên, module Sim548 lại có thể “nhìn thấy” địa chỉ IP của GPRS server Khi module SIM548 nhận được gói dữ liệu được truyền đi từ GPRS server, địa chỉ

IP của GPRS server được hiển thị trong phần header của gói dữ liệu đó (xem phần 4.5) Thông tin này giúp module phân biệt được các gói dữ liệu nhận được và có

Định dạng
Số trang	86
Dung lượng	3,13 MB