NGHIÊN CỨU Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Hệthống địnhvị toàn cầu GPS

1.Bản chất

1.1 Hệ thống định vị toàn cầu GPS

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 các 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 Rồi với nhiều quãng cách đo được tới nhiều vệ tinh máy thu có thể tính được vị trí của người dùng và hiển thị lên bản đồ điện tử của máy

Máy thu GPS phải khoá được với tín hiệu của ít nhất ba vệ tinh để tính ra vị trí hai chiều (kinh độ và vĩ độ) và để theo dõi được chuyển động Với bốn hay nhiều hơn số vệ tinh trong tầm nhìn thì máy thu có thể tính được vị trí ba chiều (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, Mặt Trời lặn và nhiều thứ khác nữa

Các máy thu GPS ngày nay cực kì chính xác, nhờ vào thiết kế nhiều kênh hoạt động song song của chúng Các máy thu 12 kênh song song (như của Garmin) nhanh chóng khoá vào các vệ tinh khi mới bật lên và chúng duy trì chắc chắn liên hệ này, thậm chí trong tán

lá rậm rạp hoặc thành phố với các toà nhà cao tầng 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 (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 DGPS

(Differential GPS,) có khả năng sửa lỗi các tín hiệu GPS để có độ chính xác trong khoảng

3 đến 5 mét Cục Phòng vệ Bờ biển Mỹ vận hành dịch vụ sửa lỗi này Hệ thống bao gồm một mạng các đài thu tín hiệu GPS và phát tín hiệu đã sửa lỗi bằng các máy phát hiệu Để thu được tín hiệu đã sửa lỗi, người dùng phải có máy thu tín hiệu vi sai bao gồm cả ăn-ten

để dùng với máy thu GPS

I.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG GPS:

Như chúng ta đã biết về nguyên lý hoạt động của hệ thống DOPPLER, đó là nguyên lý của sự thay đổi tần số tín hiệu khi nơi phát tín hiệu chuyển động Hệ thống GPS hoạt động trên một nguyên lý hoàn toàn khác Để xác định tọa độ tuyệt đối của một điểm mặt đất chúng ta sử dụng kỹ thuật "tựa khoảng cách" Kỹ thuật này được mô tả bằng công thức:

+ ∆ = ( − )2 +( − )2 +( − )2 (1)

ở đây: s=[xs ys zs] - Tọa độ vệ tinh;

p=[xp yp zp] - Tọa độ điểm mặt đất;

c - Tọa độ sóng;

t - Thời gian sóng đi từ vệ tinh tới máy thu.

∆t - Số hiệu chỉnh thời gian

Tập hợp các phương trình đo dạng (1) ta có hệ thống phương trình sai số có 4 ẩn

số là t, xp yp zp trong đó xs ys zs biết được từ mã lịch vệ tinh (tần số 50Hz), t được xác định theo đồng hồ vệ tinh và máy thu theo mã C/A, c là hằng số tốc độ truyền sóng điện từ Theo kỹ thuật này chúng ta có thể xác định tọa độ với độ chính xác 10 m Nếu kết quả trên được gửi tới trạm điều khiển trung tâm, chúng ta có được tọa độ tuyệt đối mặt đất với độ chính xác 1 m Sở dĩ độ chính xác được tăng lên đáng kể vì máy thu chỉ thu được lịch vệ tinh dự báo, còn ở trạm điều khiển trung tâm có lịch vệ tinh chính xác Qua đây chúng ta thấy tọa độ tuyệt đối các điểm mặt đất được xác định có độ chính xác kém phương pháp DOPPLER Sở dĩ như vậy vì vệ tinh của hệ thống GPS có độ cao gấp đôi

hệ thống DOPPLER Tọa độ tuyệt đối với độ chính xác 10 m của hệ thống GPS chỉ dùng

để đáp ứng 2 mục đích:

- Đạo hàng ( định vị cho các đối tượng chuyển động như tàu biển, máy bay )

- Cung cấp tọa độ gần đúng cho phương pháp đo tọa độ tương đối GPS

Ngược lại với độ chính xác của tọa độ tuyệt đối, công nghệ GPS đã đạt được thành tựu đáng kể trong việc xác định tọa độ tương đối Nguyên lý đo tọa độ tương đối là xác định pha của sóng mang L1 (với máy thu 1 tần số) hay L1 và L2 (với máy thu 2 tần số)

Chúng ta có công thức:

Trong đó: λ - Bước sóng (λ = c/f)

f: Tần số sóng;

N: Số nguyên lần bước sóng;

ϕ: Pha của sóng;

S: Khoảng cách vệ tinh - máy thu

Từ công thức (2) chúng ta có:

Xét công thức (3) từ một phía khác chúng ta có thể viết:

ϕ(t) = φs(ts ) - φp(t) + Ns

φs(ts ) - Pha của sóng tại thời điểm ts khi vệ tinh bắt đầu phát tín hiệu;

φp(t) - Pha của sóng tại thời điểm t khi máy thu nhận được tín hiệu;

Ns

p - Số nguyên lần bước sóng

Từ các công thức trên ta suy ra:

ϕ(t) = φs(t) - (f/c).Ss

p - φp(t) + Ns

Kết hợp các thành phần của vế phải của công thức (5) chúng ta biểu diễn dưới dạng:

ϕ(t) = - (f/c).Ss

p - αp(t) + βs(t) + γs

Trong đó:

αp(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do máy thu gây ra (chủ yếu là số hiệu chỉnh đồng hồ máy thu)

βs(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do vệ tinh gây ra (chủ yếu là số hiệu chỉnh đồng hồ vệ tinh)

γs

p(t) - Thành phần ảnh hưởng hệ thống pha (t) do cả vệ tinh và máy thu gây ra không phụ thuộc thời gian (chủ yếu là φs(to) - φp(to) + Ns

p , trong đó to là thời điểm bắt đầu đo)

Công thức (6) chính là công thức cơ bản để lập phương trình đo trong kỹ thuật đo tọa độ tương đối GPS Điều quan trọng nhất là chúng ta phải tổ hợp các trị đo sao cho khử được các thành phần hệ thống p(t), s(t) và p

• Hình 2.3 Giao diện Um

• 2.4.1.1 Lớp vật lý- Layer 1:Lớp này được phân chia thành hai lớp con là lớp RF

vật lý và lớp liên kết vật lý

Thực hiện điều chế dạng sóng tín hiệu từ chuỗi bit nhận được từ lớp liên kết vật lý Lớp này cũng giải điều chế dạng sóng thu được thành các chuỗi bit để chuyển lên lớp liên kết vật lý Lớp này được sử dụng như là nền tảng cho GPRS

Cung cấp các kênh vật lý giữa trạm di động MS và mạng Chức năng này bao gồm ghép khối dữ liệu, mã hoá số liệu, phát hiện và hiệu chỉnh lỗi truyền dẫn trên đường truyền vật lý Lớp liên kết vật lý sử dụng các dịch vụ của lớp RF vật lý Chức năng điều

khiển lớp liên kết vật lý cho phép duy trì thông tin trên các kênh vật lý giữa MS và mạng Các thủ tục chuyển giao sẽ không được sử dụng trong GPRS, thay vào đó là các thủ tục cập nhật định tuyến và cập nhật ô (cell)

Lớp liên kết vật lý có nhiệm vụ thực hiện các thủ tục sau:

- Mã hoá sửa lỗi trước, cho phép phát hiện và hiệu chỉnh từ mã đã phát đi và chỉ thị các từ mã không thể hiệu chỉnh được

- Ghép xen

- Thủ tục phát hiện nghẽn trên các liên kết vật lý

- Thủ tục đồng bộ để điều chỉnh tại tham số TA (Timing Advance - Định thời sớm)

- Định thời sớm thủ tục giám sát và đánh giá chất lượng tín hiệu

- Thủ tục lựa chọn và tái lựa chọn ô

- Thủ tục điều khiển công suất phát

- Thủ tục cho phép tiết kiệm pin như thu không liên tục DRX (Discontinuous Reception) …

2.4.1.2 Lớp RLC/MAC

MAC (Medium Access Control - Điều khiển truy nhập trung gian) : Xác định các thủ tục cho phép nhiều máy di động có thể cùng chia sẻ tài nguyên chung (ví dụ như cùng chia sẻ các kênh vật lý), MAC cho phép một máy di động đơn lẻ có thể sử dụng nhiều kênh vật lý đồng thời RLC (Radio Link Control - Điều khiển kết nối vô tuyến) xác định thủ tục truyền lại các khối dữ liệu RLC bị lỗi, nó cũng cung cấp khả năng phân mảnh và sắp xếp lại các khối dữ liệu gói PDU trong lớp LLC vào trong khối dữ liệu RLC

Cụ thể:

Chức năng của MAC:

- Cung cấp khả năng ghép kênh dữ liệu và báo hiệu ở cả đường lên và đường xuống

- Điều khiển truy nhập các kênh vô tuyến, thực hiện các thủ tục phát hiện, khôi phục và tránh xung đột (đối với việc truy nhập được khởi tạo từ máy di động)

- Quản lý hàng đợi của các gói dữ liệu đối với truy nhập kênh kết nối ở MS

- Quản lý các mức ưu tiên

Chức năng của RLC:

- Truyền tải các PDU của LLC giữa lớp LLC và chức năng MAC.

- Phân mảnh và sắp xếp các PDU của LLC vào các khối dữ liệu RLC

- Sửa lỗi bằng cách phát lại BEC (Back Error Correction): Nó cho phép truyền lại các từ mã có thể không đúng

- Truyền tải các từ mã tuỳ thuộc vào điều kiện của các kênh truyền dẫn

2.4.1.3 Lớp LLC

Các chức năng của lớp LLC bao gồm:

- Truyền tải các khối dữ liệu giao thức phân hệ mạng SN – PDU (SubNetwork – Protocol Data Unit) giữa lớp SNDCP và lớp LLC

- Truyền tải các khối dữ liệu gói PDU của lớp điều khiển kết nối logic LLC (LLC – PDU) giữa máy di động SGSN

- Phân phát LLC – PDU từ điểm đến điểm ở cả hai chế độ: xác nhận và không xác nhận giữa máy di động SGSN

- Phân phát LLC – PDU từ điểm đến đa điểm giữa máy di động và SGSN

- Phát hiện và khôi phục các LLC – PDU bị thất lạc

- Điều khiển luồng và các LLC – PDU giữa máy di động và SGSN

- Mã hoá các LLC – PDU

• 2.4.1.4 Giao thức hội tụ phụ thuộc mạng con SNDCP – Sub Network Dependent

Convergence Protocol.

Giao thức này dùng để ghép kênh dữ liệu đến từ các nguồn khác nhau trước khi chúng được gửi đi nhờ các dịch vụ do lớp LLC cung cấp

Ở các tầng phía trên, dữ liệu được xử lý để chuyển thành các đơn vị dữ liệu N-PDU ( Network Protocol Data Unit) Sau đó các N-PDU được phân đoạn thành các SN-PDU ( SubNetwork PDU bằng giao thức SNDCP Các SN-PDU sẽ được sắp xếp vào khung LLC có kích cỡ thay đổi Tiếp đến, LLC-PDU lại được chia thành các RLC/MAC block có kích cỡ tùy thuộc vào kỹ thuật mã hóa được sử dụng (CS1,CS2,CS3,CS4) Cuối cùng RLC/MAC block được mã hoá thành các khối vô tuyến ở lớp vật lý

2.4.2 Giao diện Gb

Hình 2.4: Giao diện Gb

Giao diện Gb là giao diện giữa BSS và SGSN SGSN với một hay nhiều khối điều khiển gói PCU (Packet Control Unit) được kết nối với nhau qua giao diện Gb Nó cho phép nhiều người sử dụng có thể cùng chia sẻ nguồn tài nguyên chung Các bản tin báo hiệu và dữ liệu người dùng có thể được gửi trên cùng nguồn tài nguyên vật lý GMM/SM (GPRS Mobility Management/ Session Management – Quản lý di động GPRS/ Quản lý phiên): Giao thức này hỗ trợ cho chức năng quản trị di động trong mạng GPRS như nhập mạng, rời mạng, cập nhật vùng định tuyến, cập nhật vùng định vị, khởi tạo/ huỷ bỏ PDP context

Giao diện này hỗ trợ:

- Dùng chung hạ tầng mạng: cho phép lưu lượng trên giao diện A (trong GSM) và Gb có thể cùng đi trên một con đường E1

- Kết hợp các liên kết: cho phép kết hợp nhiều giao diện Gb trên nhiều đường E1 về một đường E1

- Điều khiển luồng

2.4.3 Giao diện Gc

Hình 2.5 Giao diện Gc Giao diện Gc là giao diện giữa GGSN và HLR Có 2 cách thiết lập tuyến báo hiệu giữa GGSN và HLR:

• Nếu giao diện SS7 được cài đặt trong GGSN thì giao thức MAP được sử dụng để trao đổi thông tin giữa GGSN và HLR

• Nếu giao diện SS7 không được cài đặt trong GGSN thì GGSN và HLR phải giao tiếp thông qua một GGSN trung gian Nút trung gian này phải có khả năng hỗ trợ

2 nhóm giao thức:

• Một nhóm giao thức để giao tiếp GGSN (GTP)

• Một nhóm giao thức sử dụng báo hiệu số 7 để giao tiếp với HLR (MAP)

2.4.4 Giao diện Gd

Hình 2.6 Giao diện Gd

Giao diện Gd là giao diện giữa SGSN với GMSC và SGSN với SMS-IWMSC cho phép sử dụng dịch vụ SMS trong mạng GPRS Giao diện này sử dụng báo hiệu số 7

2.4.5 Giao diện Gf

Là giao diện giữa SGSN và EIR nhằm hỗ trợ cho các thủ tục xác nhận khi thuê bao đang thực hiện quá trình kết nối vào mạng bằng cách hỏi số IMEI của thuê bao MS Tại giao diện này, giao thức MAP hỗ trợ cho báo hiệu giữa hai phần tử SGSN và EIR phục vụ cho việc nhận dạng thiết bị đầu cuối

2.4.6 Giao diện Gr:

• MAP (Mobile Application Port): cổng ứng dụng di động

• TCAP (Transation Capabilities Application Part): phần ứng dụng các khả năng giao dịch

• SCCP (Signaling Connection Control Part): phần điều khiển kết nối báo hiệu

• MTP (Message Transfer Part): phần chuyển giao tin báo

• L1 (Layer 1): lớp 1

Hình 2.7 Giao diện Gr Giao diện này kết nối SGSN với HLR bởi báo hiệu số 7, nó cung cấp khả năng truy cập tới tất cả các nút trong mạng báo hiệu số 7, bao gồm HLR của nội PLMN và HLR của mạng PLMN khác nhằm mục đích tham chiếu vị trí của thuê bao GPRS.Tại giao diện này, giao thức MAP hỗ trợ cho khả năng trao đổi tín hiệu giữa SGSN và HLR

Còn các giao thức TCAP, SCCP, MTP3, MTP2 giống như giao thức được sử dụng hỗ trợ MAP trong mạng GSM

2.4.7 Giao diện Gs

Hình 2.8 Giao diện Gs Giao diện Gs là giao diện giữa SGSN và MSC/VLR, nhằm trao đổi các thông tin về

vị trí, tìm gọi phối hợp phân phối và sử dụng tài nguyên vô tuyến để hỗ trợ cho những thuê bao kết nối vào cả hai hệ thống GPRS và GSM Giao diện này sử dụng báo hiệu số

7 Tại giao diện này, BSSAP+ ( Base Station System Application Part +): là một bộ phận của BSSAP nhằm hỗ trợ cho việc báo hiệu giữa SGSN và MSC/VLR

2.4.8 Giao diện Gi:

Hình 2.9 Giao diện Gi Giao diện Gi là giao diện giữa GGSN và mạng số liệu bên ngoài như mạng X.25, mạng IP, Internet, Intranet… nhằm phục vụ cho việc trao đổi dữ liệu thuê bao di động và các mạng ngoài

2.4.9 Giao diện Gn:

Hình 2.10 Giao diện Gn

Giao diện Gn là giao diện giữa SGSN với GGSN trong mạng GPRS để điều khiển báo hiệu ( quản lý di động, quản lý phiên) và truyền dẫn dữ liệu của user trên các mạng trục khi thuê bao di chuyển từ SGSN này sang SGSN khác

GTP- GPRS Tunnelling Protocol: là giao thức đừơng hầm, cho phép truyền các bản tin báo hiệu cũng như dữ liệu của user trên mạng trục GPRS thông qua đường hầm ( tunel)

TCP/UDP( Transmission Control Protocol/ User Datagram Protocol): chuyển các bản tin báo hiệu giữa SGSN với GGSN

2.5 Các kênh trong kiến trúc mạng GPRS

2.5.1 Kênh vật lý của GPRS :

PDCH- Packet Data Channel: là các kênh vật lý ( các khe thời gian trong khung TDMA) được ấn định để sử dụng cho GPRS Sự ấn định này có thể cố định hay tạm thời ( trong trường hợp tái thiết lập cấu hình động cho việc sử dụng các kênh vật lý giữa GSM

và GPRS)

Đa khung PDCH bao gồm 52 khung TDMA với 2 khung rỗi, 2 khung dùng để truyền thông tin của kênh PTCCH và 48 khung còn lại được chia làm 12 block, mỗi block có 4 khung Đa khung này có thể coi tương tự như đa khung 26 khung trong GSM Mỗi đa khung PDCH có độ dài 240 ms

Hình 2.11 Cấu trúc đa khung của GPRS.

• Ở huớng xuống: chỉ có một kênh PDCH được chọn để truyền PBCCH block Thông

tin cụ thể quy định PDCH nào truyền PBCCH block được chứa trong nội dung của kênh BCCH Block đầu tiên của cấu trúc đa khung truyền trên kênh PBCCH Các block còn lại sẽ truyền các kênh PPCH, PAGCH, PNCH, PDTCH, PACCH

• Ở hướng lên: truyền các kênh PRACH, PDTCH, PACCH Thông thường block đầu

tiên được chọn để truyền kênh PRACH

Đối với kênh vật lý không mang PCCCH: tất cả các block đều có thể được dùng để truyền thông tin của kênh PDTCH hay PACCH

Hai khung rỗi và hai khung dùng cho PTCCH được MS sử dụng để đo tín hiệu và nhận dạng trạm BTS Việc sắp xếp các kênh vào đa khung được điều khiển bởi các tham số phát quảng bá trên kênh PBCCH

2.5.2 Các kênh logic:

Hình 2.12 : Các kênh logic của GPRS

• 2.5.2.1 Kênh điều khiển quảng bá PBCCH-Packet Broadcast Control Channel

Kênh điều khiển quảng bá PBCCH: là kênh hướng xuống dùng để phát quảng bá các thông tin về hệ thống dữ liệu gói PBCCH được sắp xếp lênh kênh vật lý tương tự như BCCH trong hệ thống GSM Sự tồn tại cảu PBCCH trong hệ thống sẽ được BCCH thông báo Thực sự, sự tồn tại của kênh PBCCH trong hệ thống GPRS là không quá cần thiết, do đó nếu PBCCH không được cấp thì thông tin quảng bá sẽ được phát trên BCCH

• 2.5.2.2 Các kênh điều khiển chung PCCCH – Packet Common Control

Channel

Các kênh điều khiển chung PCCCH có chức năng tương tự như CCCH trong mạng GSM Nếu trong một ô không tồn tại PCCCH thì việc truyền tải dữ liệu có thể được khởi tạo từ CCCH

• Kênh truy cập ngẫu nhiên PRACH- Packet Random Access Channel: là kênh

hướng lên do MS sử dụng để khởi đầu cho việc gửi các thông tin số liệu hoặc thông tin báo hiệu ( ví dụ như trả lời bản tin tìm gọi) Cụm truy nhập- Access Burst được sử dụng trên kênh PRACH còn chứa đựng thông tin về định thời của MS

• Kênh tìm gọi PPCH - Packet Paging Channel: là kênh hướng xuống, sử dụng để

tìm gọi một MS khi có yêu cầu gửi dữ liệu đến MS đó PPCH có thể dùng để tìm

MS đang hoạt động ở cả hai chế độ chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói, nhưng nó chỉ có hiệu lực đối với các máy MS ở lớp A và lớp B Khi đang ở trong chế độ nhận/gửi dữ liệu vẫn có thể nhắn tìm MS cho các dịch vụ chuyển mạch kênh thông qua kênh điều khiển kết hợp PACCH

• Kênh cho phép truy cập PAGCH – Packet Access Grant Channel: là kênh hướng

xuống, sử dụng để gửi bản tin ấn định tài nguyên đến MS sau khi MS gửi bản tin truy cập trên kênh PRACH Bản tin ấn định tài nguyên này cũng có thể gửi trên PACCH trong trường hợp MS đang thực hiện truyền tải dữ liệu

• Kênh thông báo gói PNCH – Packet Notification Channel: là kênh hướng xuống,

dùng để gửi một thông báo PTM-M – Point to Multipoint- Multicast đến một